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序
我国水土保持教学可以追溯到２０世纪的４０年代而系统的专业教育则始于２０世纪五
六十年代目前在高等教育系统中开设水土保持与荒漠化防治本科专业的院校已增加到了
２０所这无疑对我国水土保持与荒漠化防治事业的发展做出了很大贡献但由于水土保持
既是一门边缘交叉学科又是一门综合性很强的应用技术学科因而各院校的教育培养目
标教学方案与课程体系及各门课程的教学内容都存在着一定的差别虽然已展现出了百
花齐放的局面但对教学管理和人才规格的衡量等造成了一定的困难为了解决这一矛盾并继续保持各院校的教学优势就得在骨干课程上进行统一与规范
２１世纪初中华人民共和国教育部启动了进一步提高本科专业教学质量的 ldquo质量工
程rdquo西北农林科技大学资源环境学院水土保持系的全体教师有幸获批了 ldquo高等学校水土保
持与荒漠化防治特色专业建设rdquo的项目他们结合专业特点与社会需求在全国开展了较大
范围的调查研究初步确定了本专业的骨干课程并以其中的专业基础课与专业课为对象组织了全国百余名教师研究人员和工程技术人员联合编写 laquo土壤侵蚀学raquo等１０余本教材这套教材既充分吸纳了水土保持学科已有的成果又反映了学科发展的现状与趋势既注重
理论教学又考虑学生动手能力的培养既注重了课程的内涵又考虑了课程的系统组合并减少了课程内容的重叠可以说它对实现学生厚基础宽口径强能力和高素质的培养
很有帮助当前防治水土流失与荒漠化已成为我国的一项基本国策既是实现生态良性循环的主
要内容又是社会经济可持续发展的重要基础因此建设型人才的培养与训练至关重要希望这套教材能为专业建设型人才的培养和水土保持与荒漠化防治高等教育做出应有的贡
献同时也衷心祝愿我国水土保持与荒漠化防治的高等教学更为完臻
国际欧亚科学院院士
中国科学院水利部水土保持研究所研究员
２０１０年１２月１０日
前 言
流域水文学是 ldquo水土保持与荒漠化防治专业rdquo本科教学体系中重要的专业基础课之一本教材是在水文学水文学原理工程水文学和水文与水资源学的基础上借鉴水文学原理
和工程水文学调整了一些章节结合水土保持水文学的特点发展完善的一部教材本书论述了水文学的基本理论和工程水文学计算方法内容包括水循环径流形成
水土保持径流泥沙测验流域产汇流水文分析与计算流域泥沙流域水文模型和水土保
持措施对径流泥沙的影响laquo流域水文学raquo共分９部分包括绪论水循环与水资源河川径流的形成及其影响因
素水土保持径流和泥沙测验流域产汇流计算水文分析计算流域泥沙流域水文模型
和水土保持措施对径流泥沙的影响由西北农林科技大学沈阳农业大学四川农业大学郑州航空工业管理学院宁夏农林科学院共同编写完成各章分工如下
绪论王健第一章王健吴发启第二章孟秦倩王健马璠第三章高军
侠党宏斌刘丹第四章王健吴发启第五章刘丹高军侠党宏斌第六章王
健宋松柏马璠第七章孟秦倩宋松柏刘丹第八章何淑琴郑子成全书由王
健吴发启统稿魏晓妹教授担任该书主审刘秉正教授审阅了教材提出了很多精辟意
见使本书得以完善张鹏辉刘旦旦校稿本教材可供大中专院校科研院所水土保持管理人员水土保持工程技术人员参考值此本书完稿之际特别感谢编写书稿的各位编委主审书稿的魏晓妹教授刘秉正教
授和参加校稿工作的研究生对文中引用的科技成果论文著作和教材的各位作者以及
科学出版社的同志等付出的辛勤劳动致以衷心感谢由于作者的知识水平和实践经验有限书中的错误在所难免恳请各位读者批评指正
编 者
２０１３年１２月
目 录
序
前言
绪论 １1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流域水文学研究的对象 １104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水文现象的特征 ２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三研究方法 ２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四课程性质及教学目的要求 ４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第一章 水循环与水资源 ５1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 自然界的水循环 ５10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一地球上水的分布 ５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水循环现象 ６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三影响水循环的因素 ８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 水量平衡 ８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水量平衡原理 ８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二通用水量平衡方程 ８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三流域水量平衡方程 ９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 水资源 １０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水资源的内涵 １０104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水资源特性 １０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三世界与我国水资源情况 １１104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 １２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第二章 河川径流的形成及其影响因素 １３104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 流域水系和河流 １３104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流域特征 １３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水系特征 １６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三河流断面 １７10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 降水 １９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一降水及其要素 １９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二降水时空分布特征的表示方法 ２２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三流域平均降水量计算 ２３1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四我国年降水量的分布 ２５1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 蒸发与散发 ２５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水面蒸发 ２６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二土壤蒸发 ２７10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
iv 流域水文学
三植物蒸腾 ２８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四流域蒸散发 ２９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 土壤水下渗与地下水 ２９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一土壤水 ２９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二下渗 ３１1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三地下水类型及特征 ３４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第五节 径流的形成 ３６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流域蓄渗过程 ３７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二坡地汇流过程 ３７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三河网汇流过程 ３８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四流量过程线及其组成 ３８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第六节 河流水情 ３９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一河流的水位与流量 ３９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二径流的计量 ４０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三河流的水源补给 ４２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四河流的径流情势 ４３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五洪水 ４４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
六枯水 ４５1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ４８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第三章 水土保持径流和泥沙测验 ４９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 水土保持径流泥沙观测站的布设 ４９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持径流泥沙测验的特点 ４９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二观测站布设的基本要求 ４９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三观测站网的布设 ５０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四测站控制 ５１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 径流观测 ５２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一河道流量测验 ５２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二小流域径流的观测 ５９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 泥沙观测 ６２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一河流泥沙特征 ６２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二河流泥沙测验 ６４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三小流域泥沙的观测 ７０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四径流场径流泥沙观测 ７１1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 其他观测项目 ７３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一降水观测 ７３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二蒸散发观测 ７４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三土壤入渗观测 ７６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第五节 水文调查与水文遥感 ７６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流量资料整编 ７６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水文调查 ７９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
目 录 v
三水文遥感 ８０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ８１104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第四章 流域产汇流计算 ８２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 流域产流计算 ８２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一产流机制 ８２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二流域产流模式 ８８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三流域产流面积变化 ９０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四蓄满产流模式的产流计算 ９２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五超渗产流模式的产流计算 ９４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 流域汇流计算 ９７10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一概述 ９７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二单位线法 ９９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三瞬时单位线 １０７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四地下径流汇流计算 １１３1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 １１４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第五章 水文分析计算 １１６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 水文频率计算 １１６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一经验频率曲线 １１６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二理论频率曲线 １２０104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三水文频率计算适线法 １２３104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 相关分析 １２７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一相关关系 １２８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二简单直线相关 １２９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三曲线选配 １３２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四复相关 １３３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 设计年径流计算 １３４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一概述 １３４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二具有长期径流资料时设计年径流的计算 １３６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三具有短期实测径流资料时设计年径流的计算 １４０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四无实测资料时设计年径流的计算 １４２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五设计年径流的时程分配 １４４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 流域设计洪水 １４６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一由流量资料推求设计洪水 １４６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二由暴雨资料推求设计洪水 １５８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三小流域设计洪水 １７２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 １８４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第六章 流域泥沙 １８７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 流域泥沙输移 １８７10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流域产沙 １８７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二泥沙输移比概念 １９１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
vi 流域水文学
第二节 流域输沙量的估算 １９５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一泥沙资料整编 １９５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二悬移质多年平均输沙量的估算 １９６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三推移质多年平均输沙量的估算 １９８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四悬移质输沙量的年内分配 １９８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 泥沙淤积 １９８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一坝库淤积状态 １９８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二坝库淤积量的计算 １９９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三坝库淤积的控制 ２０２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２０３104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第七章 流域水文模型 ２０４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 概述 ２０４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 集总式水文模型 ２０７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水箱 (Tank)模型 ２０７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二新安江 (三水源)模型 ２１０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三SCS模型 ２１３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 分布式水文模型 ２１５1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一MIKESHE模型 ２１６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二SWAT模型 ２１９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三TOPMODEL模型 ２２２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 流域水文模型的应用 ２２６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水文计算 ２２６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水文预报 ２２６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三估计人类活动的影响 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四模型区域化mdashmdashmdash模型参数的地区综合 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五水质控制 ２２７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第八章 水土保持措施对径流泥沙的影响 ２２８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 影响径流泥沙的水土保持措施及蓄水保土机理 ２２８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一影响径流泥沙的水土保持措施 ２２８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持工程措施的蓄水保土机理 ２２８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三水土保持生物措施的蓄水保土机理 ２３０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四水土保持农业技术措施的蓄水保土机理 ２３１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 水土保持措施对径流的影响与估算 ２３４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持工程措施对径流的影响与估算 ２３４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持生物措施对径流的影响与估算 ２３５10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三水土保持农业技术措施对径流的影响与估算 ２３７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 水土保持措施对泥沙的影响与估算 ２４０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持工程措施对泥沙的影响与估算 ２４０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持生物措施对泥沙的影响与估算 ２４１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
目 录 vii
三水土保持农业技术措施对泥沙的影响与估算 ２４１1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 水土保持效益的观测与估算 ２４２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持效益观测 ２４２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持效益估算 ２４６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２４８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018参考文献 ２４９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018附表 ２５１104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
绪 论
一流域水文学研究的对象
地球上水的存在形式多种多样它总是以气态液态固态的形式存在于地球的表面地球
的大气层中和地球的土壤岩层中大气中的水汽地面上的江河湖沼海洋和地下水等统称
为水体水体是以一定形态存在于某一环境之中且具有独特的水文规律和水文特征的水气态固态液态的形式不断转化地表水大气水地下水之间不断进行变换和转移并在时
空分布上不断发生变化从而构成了复杂的水文现象水文学是研究地球上各种水体的形成运动过程分布规律及其相互联系和转化规律的科
学是在人类长期开发利用水资源并与水旱灾害作斗争的生产实践中通过观测实验和分析
计算深入研究各种水文现象及其规律而形成的一门学科流域作为一个封闭的地形单元溪流或河川排泄某一断面以上全部面积的径流流域也是一个水文单元流域水文学主要研究
一个流域内水体的形成运动过程分布规律及其相互转化相互联系规律的科学我国是一个多山的国家山地丘陵面积约占国土总面积的２３还是一个水土流失十分
严重的国家全国轻度侵蚀以上的水蚀面积为１７９万km２水土流失不仅给当地人民的生产
生活带来了极大影响而且由于泥沙输移下泄淤塞下游河道水库一遇洪水将给下游的工农
业生产乃至人民生命财产的安全造成严重威胁新中国成立以后党中央国务院对水土保持
工作十分重视为了充分发挥水土资源及其他自然资源的生态效益经济效益社会效益以流域为单元在全面规划的基础上合理安排农林牧副各业用地因地制宜地布设综合治理
措施对水土资源及其他自然资源进行保护改良和合理利用以流域为单元的水土流失治理
工作的发展促进了流域水文学的发展一个闭合小流域能较完整地反映从降雨引起的产流产沙及汇流输沙的全部过程针对流
域水文的研究有利于了解和掌握水的运动运行规律和各水文特征值的变化及其影响机制水土保持工作以小流域为单元进行综合治理有利于按照客观规律和自然特点合理地开
发利用水土资源有利于把治坡与治沟生物措施与工程措施长远利益与当前利益结合起来最大限度地提高土地利用率和劳动生产率从而加快了治理速度提高了经济效益和生态效
益小流域治理已成为我国治理水土流失的主要形式流域水文学是结合流域治理的需要逐渐形成和发展的一门应用技术即应用水文学知识于流域治理之中是一门合理开发利用各
种水资源进行流域治理的基础学科流域水文学正是基于水土保持工作发展和实践的需要并随着水文科学技术的进步及气
象学地貌学土壤学地质学山坡水文学农业水文学森林水文学土壤物理学等有关学科
的渗透而逐步发展形成的一门水文学的分支学科流域水文学是以闭合流域为模式以水分循环和水量平衡原理为理论基础河川径流形成
及流域产汇流理论从成因分析角度论述了流域水的运动运行规律水与环境条件之间的相互
依存相互制约的关系以及人类通过改变环境条件对径流的影响为小流域水土流失的治理
工作奠定理论基础水文分析计算包括了设计年径流多年平均年输沙量设计洪水和枯水径
流是小流域水土保持工程规划设计的重要依据通过水文计算合理地确定工程措施的规模
２ 流域水文学
和标准使工程既经济合理又安全可靠水土保持径流泥沙观测和流域泥沙输移是研究水
土流失规律及小流域综合治理效益不可缺少的内容它为学习者提供了研究方法和技能
二水文现象的特征
水文现象受气候和自然地理因素的综合影响而这些因素的组合和变化决定了水文规律时空分布变化上具有以下特点
１1049008时程上的周期性与随机性
所谓周期性是指水文现象的过程大致以某一时段为循环周期例如河流的水量变化在一年中有丰水期(汛期)和枯水期尽管各年的总水量有大有小但各年的丰枯交替过程是相
似的形成上述周期变化的原因主要是地球公转及自转地球和月球的相对运动以及太阳黑
子的周期性运动所导致的昼夜四季交替的影响所致水文现象的周期性不像数学上的周期函数那样各周期的变化过程和相应数值完全重复
的出现水文现象周期性只是表现在不同时期内其数量在时程上的变化趋势大致相似虽然河流每年均会出现汛期或枯水期但是每年汛期和枯水期出现的时间水量和过程通
常是不会完全重复的即每年汛期出现的时间和量值具有随机性各周期相应过程上的数值
及各种水文特征值具有偶然性例如一条河流在不同年份的流量过程虽然都有相似的丰
枯交替变化但不会完全相同这是因为影响水文现象的因素众多各因素本身在时间上也在
不断地变化并且相互作用相互制约对于具有随机性特点的各种水文特征值主要应用数
理统计和概论理论来研究其变化规律因此在时间上水文现象的周期性既是必然的又是偶然的有确定性的一面又有随机性
的一面
２1049008地区上的相似性与特殊性
水文现象在地区分布上既存在相似性又存在特殊性不同的流域如果所处的地理位置
(纬度距海远近等)相似由于纬度地带性的影响水文现象也就具有一定程度的相似性例
如我国南方湿润区的河流水量充沛年内分配较均匀含沙量较小而北方干旱地区的河流
则水量不足年内分配不均含沙量大地带相似性反映水文现象在空间变化上存在确定性的
一面有些流域虽然所处的地理位置和气候条件相似但流域的下垫面条件存在差异水文现象
就会有很大的差异水文变化规律在某些方面具有各自的特殊性这就是水文现象的特殊性如同一气候地区山区河流的洪水过程陡涨陡落洪水历时短而平原区河流的洪水过程涨落
平缓洪水历时长植被较好的流域洪水过程平缓径流年内分配均匀河流泥沙较少而植被
较差的流域则相反这种局部性的变化反映水文现象在空间变化上也存在不确定性的一面总的来说水文现象与其他自然现象一样无论在时间或空间上均同时存在确定性和不确
定性
三研究方法
１1049008水文学的研究特点
水文循环是自然界各种水体的存在条件和相互联系的纽带是水的各种运动变化形式的
总和是水文科学研究的主要对象和核心内容而在水文循环过程中水文现象所表现出的特
点决定了水文科学研究的特点
绪 论 ３
首先水文科学把各种水文现象作为一个整体并把它们同大气圈岩石圈生物圈和人
类活动对它们的影响结合起来进行研究例如在借助水量平衡方法研究某个流域的水量变
化时既要考虑流域周围大气中水汽输送也要考虑流域上空大气中水分含量的变化既要考
虑降水也要考虑蒸发既要考虑流域的地面径流也要考虑流域土壤含水量和流域内外地下
水的交换而且还要考虑流域内水利工程以及其他人类活动的影响其次水文科学主要根据已有的水文资料预测或预估水文情势未来状况直接为人类的
生活和生产服务例如提供洪水预报和各种水情预报对旱涝灾害的发生做出中长期预测为水利工程在未来运转时期中可能遇到的特大洪水做出概率预估等
同时水文科学主要靠建立的水文观测站网通过对自然界已发生的水文现象的观测进行
分析和研究各种水文实验除少数在实验室内进行以外主要是在自然界中如在实验流域
中进行
２1049008水文现象的研究方法
根据水文现象的基本特点按不同的目的和要求水文现象研究方法有３种
１)成因分析法 根据实测的水文资料对各种水文现象研究其发生和形成过程揭露
各物理环节间的内在联系建立水文现象各要素间的定性与定量关系即寻求各种水文现象的
成因规律这种方法称为成因分析法如对径流的成因研究一般是选择有代表性的实验流域通过对降雨蒸发下渗径流等
要素的观测研究由降雨到径流过程间各环节的物理机制定量转换规律从而得出降雨与径
流量之间以及降雨过程与径流过程之间的定量关系这在水文计算和水文预报中有重大的应
用价值成因分析法是建立在水文过程的物理基础之上比单纯用经验方法或统计方法要完善的
多但目前对某些水文现象的认识还不是很清楚特别是对水文过程各环节所有要素值不能全
部通过观测得到还缺乏合理的定量方法所以即使采用成因分析法仍不免把经验处理和统
计分析作为辅助手段
２)统计分析法 水文现象特征值的出现具有随机性如年径流量年降水量年最大洪
峰流量等均可视为随机变量对于长期的水文观测资料可利用数理统计方法求得水文特征
的统计规律从而对水文特征值做出超长期的概率预估为工程设计管理提供可靠依据还可
应用统计分析水文现象之间水文现象与其影响因素之间的相关分析据以建立经验相关关
系该方法广泛应用于水文分析计算水文预报之中
３)地理综合法 根据水文现象特征值具有地带性规律的特点可以对各测站水文要素
的特征值在消除其非地带性因素后绘制各种水文特征值的等值线图此等值线图可用来推
求无实测资料区域的特征值有时也可用各测站的水文特征值与所在流域的自然地理特征值
(如流域面积河道平均坡度等)之间建立地区经验公式推求无资料相似流域的水文特征值如甲乙两地区的气候和自然地理条件都相似水文现象也相似则可将甲地区的水文特征
值直接移用到乙地区这种方法通常称为水文比拟法也属于地理综合法地理综合法特别适用于无资料(资料不全)地区的各种水文计算和水资源评价另外在测
站布设时如果充分考虑水文现象的地带性规律的特点则可以用最少的测站观测到的资料去解决各种自然地理特点流域的水文计算问题
４ 流域水文学
四课程性质及教学目的要求
水土保持学科是以水土流失成因为基础以水土保持措施设计布局为手段实现防治水
土流失提高水土资源利用效率的目标最终达到建立良好生态环境目的的一门应用技术学
科laquo流域水文学raquo课程对学生理解土壤侵蚀过程径流泥沙测验和水土保持措施规划设计与
布设等均有重要作用故它一直是水土保持专业教学中的一门必修学科基础课针对水土
保持专业的laquo流域水文学raquo课程教学应重点培养学生具备扎实的水文学理论基础和基本应用
能力扎实的理论基础应包括水文学基本特点及研究方法水文循环河川径流的形成及其影响
因素以及产汇流基本理论等基本应用能力应包括水土保持水文信息收集产汇流计算设计
径流及设计洪水计算等laquo流域水文学raquo课程以坡面降雨径流侵蚀产沙和水土保持措施水文效应为主线要求学生
重点掌握坡面产流规律设计径流计算小流域设计洪水计算和水土保持径流泥沙观测等熟悉设计洪水的计算了解水土保持措施的水文效应基于以上几点教学内容本教材由下列４部分组成
(１)水文学基本原理部分主要阐述水文循环基本过程影响因素各要素的物理机制和
分析计算方法水量平衡原理及其应用以及水文循环的作用效应等(２)产汇流基本知识部分主要从成因分析角度阐述产流机制产流模式产流计算汇流
计算(３)设计径流计算部分主要从水文统计角度利用水文频率计算确定设计年径流量由
流量资料推求设计洪水和由降雨资料推求设计洪水的基本方法介绍小流域设计洪水方法(４)水土保持径流泥沙观测与估算部分主要介绍通过水土保持径流泥沙观测获取径流
泥沙资料的基本方法借助流域水文模型对水文规律进行模拟对未来一定时期的水文状态做
出定性和定量的预测分析水土保持措施对流域径流泥沙的影响
第一章 水循环与水资源
【内容提要】 自然界水体在太阳辐射作用下蒸发进入大气随气流输送输送中遇到适
当的条件形成降水部分形成径流以各种形式补给地球上的水体使得地球上的各类水资源
得以补充本章主要介绍水循环现象水量平衡原理和水资源基本概念
第一节 自然界的水循环
一地球上水的分布
水是地球上分布最为广泛的物质之一它以气态液态和固态三种形式存在于空气地表
与地下成为大气水海水和陆地水并和存在于所有动植物有机体内的生物水组成了一个
统一的相互联系的水圈地球上的水水平分布面积很广垂直分布则存在于大气圈生物圈岩石圈之中其水量
非常丰富约为１３1049008８６times１０８km３所以地球有ldquo水的行星rdquo之称(表１Ｇ１)
表１Ｇ１ 全球的水储量
水体水储量 咸水 淡水
１０３km３ １０３km３ １０３km３
海洋水 １３３８０００1049008０ ９６1049008５４ １３３８０００ ９９1049008０４ mdash mdash
冰川与永久雪盖 ２４０６４1049008１ １1049008７４ mdash mdash ２４０６４1049008１ ６８1049008７０
地下水 ２３４００1049008０ １1049008６９ １２８７０ ０1049008９５ １０５３０1049008０ ３０1049008０６
永冻土底冰 ３００1049008０ ０1049008０２ mdash mdash ３００1049008０ ０1049008８６
湖泊水 １７６1049008４ ０1049008０１３ ８５1049008４ ０1049008００６ ９１1049008０ ０1049008２６
土壤水 １６1049008５ ０1049008００１ mdash mdash １６1049008５ ０1049008０４７
大气水 １２1049008９ ０1049008０００９ mdash mdash １２1049008９ ０1049008０３７
沼泽水 １１1049008５ ０1049008０００８ mdash mdash １１1049008５ ０1049008０３３
河流水 ２1049008１２ ０1049008０００２ mdash mdash ２1049008１２ ０1049008００６
生物水 １1049008１２ ０1049008０００１ mdash mdash １1049008１２ ０1049008００３
总 计 １３８５９８４1049008６ １００ １３５０９５５1049008４ １００ ３５０２９1049008２ １００
资料来源贺伟程1049008１９９２1049008世界水资源水利1049008中国水利大百科全书1049008北京中国大百科全书出版社
海水世界上海洋的面积为３1049008６１times１０８km２占地球表面积的７１海水的体积为１1049008３４times１０８km３占地球总储水量的９６1049008５
地下水地下水通常是指储存在地壳含水层中的重力水总储量为２1049008３４times１０７km３其中
地下淡水的储量为１1049008０５times１０７km３土壤水土壤水是指储存于地表最上部约２m 厚土层内的水当土层的平均湿度为
１０相当于含水深度为０1049008２m如果以陆地上土层覆盖总面积８２００万km２ 计算那么土壤水
的储量为１1049008６５times１０６km３
６ 流域水文学
冰雪水陆地上现代冰川的总面积超过１1049008６times１０７km２总体积为２1049008７times１０７km３若以冰的
密度９００kgm３ 计算折合成液态水约为２1049008４times１０７km３为地表河流湖泊总储水量的１２７倍湖泊水世界上大小湖泊多达数百万个全球湖泊水总储量为１1049008７６times１０７km３其中淡水储
量０1049008９１times１０７km３沼泽水沼泽水是一种特殊的水体没有开阔的水域只是陆地上层土壤中含有大量停滞
水分的过湿地段地球上沼泽的总面积约为２1049008６８times１０６km２总储水量约为１1049008１５times１０４km３河流水由于河水不停地流动全世界河床静储水量为２１２０km３占地球上总储水量
的０1049008０００２生物水生物水是指生物有机体中所含的水分据计算全球生物水的总量为１１２０km３
占地球总储水量的０1049008０００１大气水地表之上大气中的水汽来自地球表面各种水体水面的蒸发土壤蒸发及植物散
发并借助空气的垂直交换向上输送一般说来空气中的水汽含量随高度的增大而减少大
气水在７km 以内总量约有１２９００km３折合成水深约为２５mm仅占地球总水量的０1049008００１虽然数量不多但活动能力却很强是云雨雪雹霰雷闪电的根源
二水循环现象
(一)水循环基本过程
水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射地心引力等作用下通过蒸发水汽输送凝结降水下渗以及径流等环节不断地发生相态转换和周而复始运动的过程
从全球整体角度来说水循环过程可以设想从海洋的蒸发开始蒸发的水汽升入空中并被气流输送至各地其中大部分留在海洋上空少部分深入内陆在适当条件下这些水汽凝
结成为降水海面上的降水直接回归海洋而降落到陆地表面的雨雪除重新蒸发升入空中的
水汽外一部分成为地面径流补给江河湖泊另一部分渗入岩土层中转化为壤中流与地下径
流地面径流壤中流与地下径流最后也流入海洋构成全球性统一的连续有序的动态大
系统水循环广及整个水圈并深入大气圈岩石圈及生物圈其循环路径并非单一的而是通
过无数条路线实现循环和相变的所以水循环系统是由无数不同尺度不同规模的局部水循环
所组合而成的复杂系统图１Ｇ１为全球海陆间水循环过程的概化图整个过程可分解为水汽蒸发水汽输送凝结
降水水分入渗地表和地下径流等五个基本环节这五个环节既相互联系相互影响又交错
并存相对独立并在不同的环境条件下呈现不同的组合在全球各地形成一系列不同规模的
地区水循环
(二)水循环机理
地球上的水分在交替循环过程中总是溶解并携带着某些物质一起运动如溶于水中的各
种化学元素气体以及泥沙等固体杂质等不过这些物质不可能像水分那样构成完整的循环
系统所以通常意义上的水文循环仅指水分循环简称水循环太阳辐射与重力作用是水循环的基本动力此动力不消失水循环将永恒存在水的物理
性质在常温常压条件下液态气态固态三相变化的特性是水循环的前提条件外部环境包括
第一章 水循环与水资源 ７
图１Ｇ１ 水循环示意图(图中数字为水循环各环节转化量单位为１０４km３)
地理纬度海陆分布地貌形态等则制约了水循环的路径规模与强度水循环遵循质量守恒定律整个循环过程保持着连续性从实质上说水循环是物质与能量
的传输储存和转化过程而且存在于每一环节在蒸发环节中伴随液态水转化为气态水的是
热能的消耗伴随着凝结降水的是潜热的释放所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过
程据测算全球海陆日平均蒸发量为１1049008５８times１０１３m３是长江全年入海径流量的１1049008６倍蒸发这
些水汽的总耗热量高达３1049008８７８times１０２１J如折合电能为１０1049008７７times１０１４kW1048944h所以地面潜热交换成为
大气热量的主要来源由降水转化为地面与地下径流的过程则是势能转化为动能的过程这
些动能成为水流的动力消耗于沿途的冲刷搬运和堆积作用直到注入海洋才消耗殆尽
(三)流域水循环
在全球尺度上水循环是一个闭合的系统但是就流域的角度看水循环则是多个环节有
机耦合并外部开放的巨系统对于流域大气系统系统输入为流域外水汽输入系统输出为流
域内水汽输出蓄变量为流域大气水汽蓄变量对于流域地面系统而言系统输入为流域降水非闭合流域还有流域外地表水和地下水入流系统输出为流域内径流和蒸发蓄变量为流域地
表水蓄变量对于流域土壤系统而言系统输入为流域土壤入渗系统输出为流域土壤蒸发植被散发地下水上升蒸发土壤渗入地下水的补给和壤中出流蓄变量为流域土壤水蓄变量对于流域地下水系统而言系统输入为土壤渗入地下水的降水补给河渠水的渗入地表蓄水渗
漏越流补给灌溉回归水补给非闭合流域侧渗和区外含水层流入系统输出为地下水上升蒸
发地下水河道排泄地下出流和越流排泄蓄变量为流域地下水蓄变量流域水循环作为水循环特定空间范围内的一种具体实现是由一系列微观尺度的水循环过
程嵌套而成的同时作为陆地水循环和全球水循环的一个组成部分流域水循环及其演变过程
又受控于全球水循环的一般形势但是就流域水循环的结构看则大多表现为一个多层嵌套的
级联系统总体上看流域水循环包括降水蒸发下渗以及从上游到下游的产汇流过程但对
流域的局部地区(如支流或蓄水体)而言同时也是一个包含上述各水循环过程的开放系统
８ 流域水文学
三影响水循环的因素
影响水循环的因素很多一般可归纳为四大类气象因素如温度湿度风速风向等自然地理条件如地形地貌地质构造土壤和植被情况等人类活动包括各种水利措施农业措
施和水土保持措施等地理位置在这四类因素中气象因素是主要的起主导作用的因为在水循环的四个环节中有三个
(蒸发水汽输送降水)环节取决于气象条件径流虽受地形地貌地质构造土壤和植被等下
垫面条件的影响但径流的形成及其时空变化在很大程度上仍取决于气象条件自然地理条
件主要是通过蒸发和径流来影响水分循环有利于蒸发的地区水循环活跃而有利于径流的
地区则不利于水分循环人类活动对水分循环的影响主要表现在调节径流影响蒸发和降
水等水分循环环节上总之人类活动是通过改变下垫面条件来影响水分循环各环节的
第二节 水 量 平 衡
一水量平衡原理
水量平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体体现也是水循环得以存在的基础根据
物质不灭定律在水循环过程中对于任意选择的区域(或水体)在任意时段内其收入水量与
支出水量之间的差额等于该时段区域(或水体)内蓄水量的变化量即水在循环过程中从总体
上保持收支平衡水量平衡是研究水文现象的基本方法通过水量平衡可对水循环建立定量概念从而了解
各循环要素之间的定量关系水量平衡的基本方程为
I－O＝W２－W１＝ΔW (１Ｇ１)
式中I为给定时段内输入区域(或水体)的水量(mm 或 m３)O 为给定时段内输出区域(或水
体)的水量(mm 或 m３)W１W２ 为给定时段始末区域(或水体)的蓄水量(mm 或 m３)ΔW 为
时段内蓄水量的变化量ΔW＞０表示区域蓄水量增加ΔW＜０表示蓄水量减少(mm 或 m３)从本质上说水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现也是地球上水循环能
够持续不断进行下去的基本前提水循环是地球上客观存在的自然现象水量平衡是水循环
内在的规律水量平衡方程式则是水循环的数学表达式
二通用水量平衡方程
基于水量平衡原理以地面的某个部分作为研究对象这部分地面具有湖泊沼泽等水体并交错许多进出水道沿这部分地面的边界想象做出一个垂直的柱体柱体底部为地面以下
某一深度的水平面并假设该水平面上下的水量不进行交换根据水量平衡原理可知在某一
定时段内进入该区域的水量减去该柱体流出的水量应当等于该柱体内的蓄水变化量该区域水量收入部分包括以下各项①时段内的降水量P②时段内的凝结量X指水分
蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由河流流入的径流量ΣR地面入 ④由地下流入的径
流量ΣR地下入 ⑤柱体内时段初始蓄水量W 初 该区域水量支出部分包括以下各项①水分蒸发量E②由河流流出的径流量 ΣR地面出
第一章 水循环与水资源 ９
时段内的凝结量 X指水分蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由地下流出的径流
ΣR地下出 ④柱体内时段末期蓄水量W 末 ⑤用水量Y由此可列出任意区域在任意时段的通用水量平衡方程式为
P＋X ＋sumR地面入 ＋sumR地下入 ＋W 初 ＝E＋sumR地面出 ＋sumR地下出 ＋W 末 ＋Y
(１Ｇ２)
三流域水量平衡方程
对于一个天然闭合流域其地面分水线与地下分水线一致(分水线概念见第２章)则不可
能有水从外流域经地表或地下流入故通用水量平衡方程中ΣR地面入 和ΣR地下入 均为０凝结
量X 并入降水中计算令流出的总水量为R即
R＝sumR地面出 ＋sumR地下出 (１Ｇ３)
则有
P＝E＋R＋Y＋ΔW (１Ｇ４)
式中Y 为流域内国民经济的用水量包括灌溉用水量工业用水量外区域引水量及其他用水
量其中灌溉耗水量消耗于蒸发可计入流域总蒸发E 之中另一部分工业净耗水量消耗于蒸
发一部分是产品带水消耗于蒸发也计入E 之中而带水产品数量则很小可略去不计所以
闭合流域给定时段的水量平衡方程可写为
P＝E＋R＋ΔW (１Ｇ５)
如果所取的计算时段为一年则上式为闭合流域年水量平衡方程ΔW 为年初与年终流域
蓄水量的变化量如ΔW＞０则表示年内的降水一部分消耗于径流和蒸发其余则储蓄在流域
之内ΔW＜０表示年内径流蒸发不仅来自降水还有一部分来自流域原有的蓄水量对于多年平均来说流域内蓄水量变化量的均值近似为零即ΔW＝０故闭合流域多年平
均水量平衡方程为
P－
＝E－＋R
－ (１Ｇ６)
式中P－为多年平均降水量(mm 或 m３)R
－为多年平均径流量(mm 或 m３)E
－为多年平均蒸发
量(mm 或 m３)可见对于闭合流域多年平均流域的降水量等于多年平均径流量与多年平均蒸发量之和
PER 是水量平衡中的三个基本要素已知其中任意两项据此即可推求第三项值对于非闭合流域或较小流域地面与地下分水线不一致有一部分水量以渗流方式流至外
流域这种情况式(１Ｇ６)不成立应改写为
P＝E＋R＋ΔRprime＋ΔW (１Ｇ７)
式中ΔRprime为流域间水量交换量(mm 或 m３)其余符号同前有时也可以以径流量蒸发量对降水量的相对值来反映流域的水文特性式(１Ｇ６)两边除
以P－可得
E－
P－ ＋
R－
P－ ＝１ (１Ｇ８)
令R－
P－ ＝α０
E－
P－ ＝β０
１０ 流域水文学
则 α０＋β０＝１ (１Ｇ９)式中α０ 为多年平均径流系数β０ 为多年平均蒸发系数
α０β０ 反映了一个地区的气候和下垫面特性对于湿润地区α０ 较大可大于０1049008５干旱地
区α０ 较小有的只有百分之几而β０ 正好相反
第三节 水 资 源
一水资源的内涵
水是宝贵的自然资源也是自然生态环境中最积极最活跃的因素同时水又是人类生存
和社会经济活动的基本条件其应用价值表现为水量水质及水能三个方面地球上的水资源广义来说是指水圈内所有水包括海洋河流湖泊沼泽冰川土壤
水地下水及大气水都是人类宝贵的财富但是对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰
川限于当前的经济技术条件目前大规模开发利用还有许多困难狭义的水资源不同于自然界的水体它仅仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利
用的那一部分动态水体这种开发利用不仅目前技术上可能而且经济上合理且对生态环
境可能造成的影响也是可接受的这种水资源主要指河流湖泊地下水和土壤水等淡水一些区域还包括微咸水
需要说明的是土壤水虽然不能直接用于工业城镇供水但它是植物生长必不可少的条
件可以直接被植物吸收所以土壤水也应属于水资源范畴至于大气降水它不仅是径流形
成的最重要因素也是淡水资源的最主要甚至唯一的补给来源
二水资源特性
狭义而言水资源主要指水循环周期内可以恢复再生的能为人类直接利用的淡水资源它具有如下特征
(１)水资源的可再生性水资源与其他固体资源的本质区别在于其流动性是在循环中
形成的一种动态资源水资源在开采利用后能够得到大气降水的补给处在不断地开采补给和消耗恢复的循环之中
(２)储量有限性水资源处在不断地消耗和补充过程中在某种意义上水资源具有ldquo取之
不尽rdquo的特点恢复性强但实际上淡水资源储量是十分有限的且淡水资源大部分储存在极
地冰帽和冰川中真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的０1049008００７６８从水
量动态平衡的观点来看某一期间的水量消耗量应接近于该期间的水量补给量否则将会破坏
水平衡造成一系列环境问题可见水资源过程是无限的水资源储量是有限的并非取之不
尽用之不竭(３)时空分布不均匀性水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布特征时空分布的
不均匀性是水资源的又一特性我国水资源在区域上分布极不均匀总体来说东南多西北
少沿海多内陆少山区多平原少在同一地区中不同时间分布差异性很大一般是夏多冬少(４)因果随机性自然界中可更新的水资源主要来源于大气降水和融雪水其循环转换
具有因果关系由于大气降水和融雪水在时空上存在随机性导致水资源转化过程中有随机
性如某一区域既有丰平枯三种年型又有连枯连丰情况一年当中还有枯水期和丰水期这种变化都是随机的具有一定统计规律
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前 言
流域水文学是 ldquo水土保持与荒漠化防治专业rdquo本科教学体系中重要的专业基础课之一本教材是在水文学水文学原理工程水文学和水文与水资源学的基础上借鉴水文学原理
和工程水文学调整了一些章节结合水土保持水文学的特点发展完善的一部教材本书论述了水文学的基本理论和工程水文学计算方法内容包括水循环径流形成
水土保持径流泥沙测验流域产汇流水文分析与计算流域泥沙流域水文模型和水土保
持措施对径流泥沙的影响laquo流域水文学raquo共分９部分包括绪论水循环与水资源河川径流的形成及其影响因
素水土保持径流和泥沙测验流域产汇流计算水文分析计算流域泥沙流域水文模型
和水土保持措施对径流泥沙的影响由西北农林科技大学沈阳农业大学四川农业大学郑州航空工业管理学院宁夏农林科学院共同编写完成各章分工如下
绪论王健第一章王健吴发启第二章孟秦倩王健马璠第三章高军
侠党宏斌刘丹第四章王健吴发启第五章刘丹高军侠党宏斌第六章王
健宋松柏马璠第七章孟秦倩宋松柏刘丹第八章何淑琴郑子成全书由王
健吴发启统稿魏晓妹教授担任该书主审刘秉正教授审阅了教材提出了很多精辟意
见使本书得以完善张鹏辉刘旦旦校稿本教材可供大中专院校科研院所水土保持管理人员水土保持工程技术人员参考值此本书完稿之际特别感谢编写书稿的各位编委主审书稿的魏晓妹教授刘秉正教
授和参加校稿工作的研究生对文中引用的科技成果论文著作和教材的各位作者以及
科学出版社的同志等付出的辛勤劳动致以衷心感谢由于作者的知识水平和实践经验有限书中的错误在所难免恳请各位读者批评指正
编 者
２０１３年１２月
目 录
序
前言
绪论 １1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流域水文学研究的对象 １104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水文现象的特征 ２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三研究方法 ２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四课程性质及教学目的要求 ４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第一章 水循环与水资源 ５1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 自然界的水循环 ５10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一地球上水的分布 ５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水循环现象 ６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三影响水循环的因素 ８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 水量平衡 ８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水量平衡原理 ８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二通用水量平衡方程 ８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三流域水量平衡方程 ９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 水资源 １０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水资源的内涵 １０104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水资源特性 １０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三世界与我国水资源情况 １１104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 １２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第二章 河川径流的形成及其影响因素 １３104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 流域水系和河流 １３104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流域特征 １３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水系特征 １６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三河流断面 １７10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 降水 １９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一降水及其要素 １９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二降水时空分布特征的表示方法 ２２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三流域平均降水量计算 ２３1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四我国年降水量的分布 ２５1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 蒸发与散发 ２５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水面蒸发 ２６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二土壤蒸发 ２７10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
iv 流域水文学
三植物蒸腾 ２８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四流域蒸散发 ２９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 土壤水下渗与地下水 ２９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一土壤水 ２９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二下渗 ３１1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三地下水类型及特征 ３４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第五节 径流的形成 ３６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流域蓄渗过程 ３７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二坡地汇流过程 ３７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三河网汇流过程 ３８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四流量过程线及其组成 ３８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第六节 河流水情 ３９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一河流的水位与流量 ３９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二径流的计量 ４０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三河流的水源补给 ４２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四河流的径流情势 ４３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五洪水 ４４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
六枯水 ４５1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ４８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第三章 水土保持径流和泥沙测验 ４９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 水土保持径流泥沙观测站的布设 ４９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持径流泥沙测验的特点 ４９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二观测站布设的基本要求 ４９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三观测站网的布设 ５０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四测站控制 ５１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 径流观测 ５２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一河道流量测验 ５２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二小流域径流的观测 ５９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 泥沙观测 ６２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一河流泥沙特征 ６２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二河流泥沙测验 ６４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三小流域泥沙的观测 ７０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四径流场径流泥沙观测 ７１1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 其他观测项目 ７３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一降水观测 ７３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二蒸散发观测 ７４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三土壤入渗观测 ７６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第五节 水文调查与水文遥感 ７６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流量资料整编 ７６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水文调查 ７９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
目 录 v
三水文遥感 ８０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ８１104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第四章 流域产汇流计算 ８２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 流域产流计算 ８２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一产流机制 ８２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二流域产流模式 ８８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三流域产流面积变化 ９０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四蓄满产流模式的产流计算 ９２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五超渗产流模式的产流计算 ９４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 流域汇流计算 ９７10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一概述 ９７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二单位线法 ９９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三瞬时单位线 １０７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四地下径流汇流计算 １１３1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 １１４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第五章 水文分析计算 １１６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 水文频率计算 １１６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一经验频率曲线 １１６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二理论频率曲线 １２０104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三水文频率计算适线法 １２３104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 相关分析 １２７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一相关关系 １２８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二简单直线相关 １２９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三曲线选配 １３２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四复相关 １３３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 设计年径流计算 １３４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一概述 １３４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二具有长期径流资料时设计年径流的计算 １３６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三具有短期实测径流资料时设计年径流的计算 １４０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四无实测资料时设计年径流的计算 １４２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五设计年径流的时程分配 １４４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 流域设计洪水 １４６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一由流量资料推求设计洪水 １４６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二由暴雨资料推求设计洪水 １５８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三小流域设计洪水 １７２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 １８４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第六章 流域泥沙 １８７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 流域泥沙输移 １８７10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流域产沙 １８７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二泥沙输移比概念 １９１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
vi 流域水文学
第二节 流域输沙量的估算 １９５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一泥沙资料整编 １９５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二悬移质多年平均输沙量的估算 １９６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三推移质多年平均输沙量的估算 １９８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四悬移质输沙量的年内分配 １９８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 泥沙淤积 １９８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一坝库淤积状态 １９８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二坝库淤积量的计算 １９９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三坝库淤积的控制 ２０２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２０３104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第七章 流域水文模型 ２０４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 概述 ２０４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 集总式水文模型 ２０７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水箱 (Tank)模型 ２０７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二新安江 (三水源)模型 ２１０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三SCS模型 ２１３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 分布式水文模型 ２１５1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一MIKESHE模型 ２１６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二SWAT模型 ２１９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三TOPMODEL模型 ２２２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 流域水文模型的应用 ２２６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水文计算 ２２６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水文预报 ２２６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三估计人类活动的影响 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四模型区域化mdashmdashmdash模型参数的地区综合 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五水质控制 ２２７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第八章 水土保持措施对径流泥沙的影响 ２２８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 影响径流泥沙的水土保持措施及蓄水保土机理 ２２８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一影响径流泥沙的水土保持措施 ２２８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持工程措施的蓄水保土机理 ２２８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三水土保持生物措施的蓄水保土机理 ２３０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四水土保持农业技术措施的蓄水保土机理 ２３１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 水土保持措施对径流的影响与估算 ２３４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持工程措施对径流的影响与估算 ２３４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持生物措施对径流的影响与估算 ２３５10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三水土保持农业技术措施对径流的影响与估算 ２３７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 水土保持措施对泥沙的影响与估算 ２４０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持工程措施对泥沙的影响与估算 ２４０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持生物措施对泥沙的影响与估算 ２４１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
目 录 vii
三水土保持农业技术措施对泥沙的影响与估算 ２４１1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 水土保持效益的观测与估算 ２４２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持效益观测 ２４２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持效益估算 ２４６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２４８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018参考文献 ２４９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018附表 ２５１104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
绪 论
一流域水文学研究的对象
地球上水的存在形式多种多样它总是以气态液态固态的形式存在于地球的表面地球
的大气层中和地球的土壤岩层中大气中的水汽地面上的江河湖沼海洋和地下水等统称
为水体水体是以一定形态存在于某一环境之中且具有独特的水文规律和水文特征的水气态固态液态的形式不断转化地表水大气水地下水之间不断进行变换和转移并在时
空分布上不断发生变化从而构成了复杂的水文现象水文学是研究地球上各种水体的形成运动过程分布规律及其相互联系和转化规律的科
学是在人类长期开发利用水资源并与水旱灾害作斗争的生产实践中通过观测实验和分析
计算深入研究各种水文现象及其规律而形成的一门学科流域作为一个封闭的地形单元溪流或河川排泄某一断面以上全部面积的径流流域也是一个水文单元流域水文学主要研究
一个流域内水体的形成运动过程分布规律及其相互转化相互联系规律的科学我国是一个多山的国家山地丘陵面积约占国土总面积的２３还是一个水土流失十分
严重的国家全国轻度侵蚀以上的水蚀面积为１７９万km２水土流失不仅给当地人民的生产
生活带来了极大影响而且由于泥沙输移下泄淤塞下游河道水库一遇洪水将给下游的工农
业生产乃至人民生命财产的安全造成严重威胁新中国成立以后党中央国务院对水土保持
工作十分重视为了充分发挥水土资源及其他自然资源的生态效益经济效益社会效益以流域为单元在全面规划的基础上合理安排农林牧副各业用地因地制宜地布设综合治理
措施对水土资源及其他自然资源进行保护改良和合理利用以流域为单元的水土流失治理
工作的发展促进了流域水文学的发展一个闭合小流域能较完整地反映从降雨引起的产流产沙及汇流输沙的全部过程针对流
域水文的研究有利于了解和掌握水的运动运行规律和各水文特征值的变化及其影响机制水土保持工作以小流域为单元进行综合治理有利于按照客观规律和自然特点合理地开
发利用水土资源有利于把治坡与治沟生物措施与工程措施长远利益与当前利益结合起来最大限度地提高土地利用率和劳动生产率从而加快了治理速度提高了经济效益和生态效
益小流域治理已成为我国治理水土流失的主要形式流域水文学是结合流域治理的需要逐渐形成和发展的一门应用技术即应用水文学知识于流域治理之中是一门合理开发利用各
种水资源进行流域治理的基础学科流域水文学正是基于水土保持工作发展和实践的需要并随着水文科学技术的进步及气
象学地貌学土壤学地质学山坡水文学农业水文学森林水文学土壤物理学等有关学科
的渗透而逐步发展形成的一门水文学的分支学科流域水文学是以闭合流域为模式以水分循环和水量平衡原理为理论基础河川径流形成
及流域产汇流理论从成因分析角度论述了流域水的运动运行规律水与环境条件之间的相互
依存相互制约的关系以及人类通过改变环境条件对径流的影响为小流域水土流失的治理
工作奠定理论基础水文分析计算包括了设计年径流多年平均年输沙量设计洪水和枯水径
流是小流域水土保持工程规划设计的重要依据通过水文计算合理地确定工程措施的规模
２ 流域水文学
和标准使工程既经济合理又安全可靠水土保持径流泥沙观测和流域泥沙输移是研究水
土流失规律及小流域综合治理效益不可缺少的内容它为学习者提供了研究方法和技能
二水文现象的特征
水文现象受气候和自然地理因素的综合影响而这些因素的组合和变化决定了水文规律时空分布变化上具有以下特点
１1049008时程上的周期性与随机性
所谓周期性是指水文现象的过程大致以某一时段为循环周期例如河流的水量变化在一年中有丰水期(汛期)和枯水期尽管各年的总水量有大有小但各年的丰枯交替过程是相
似的形成上述周期变化的原因主要是地球公转及自转地球和月球的相对运动以及太阳黑
子的周期性运动所导致的昼夜四季交替的影响所致水文现象的周期性不像数学上的周期函数那样各周期的变化过程和相应数值完全重复
的出现水文现象周期性只是表现在不同时期内其数量在时程上的变化趋势大致相似虽然河流每年均会出现汛期或枯水期但是每年汛期和枯水期出现的时间水量和过程通
常是不会完全重复的即每年汛期出现的时间和量值具有随机性各周期相应过程上的数值
及各种水文特征值具有偶然性例如一条河流在不同年份的流量过程虽然都有相似的丰
枯交替变化但不会完全相同这是因为影响水文现象的因素众多各因素本身在时间上也在
不断地变化并且相互作用相互制约对于具有随机性特点的各种水文特征值主要应用数
理统计和概论理论来研究其变化规律因此在时间上水文现象的周期性既是必然的又是偶然的有确定性的一面又有随机性
的一面
２1049008地区上的相似性与特殊性
水文现象在地区分布上既存在相似性又存在特殊性不同的流域如果所处的地理位置
(纬度距海远近等)相似由于纬度地带性的影响水文现象也就具有一定程度的相似性例
如我国南方湿润区的河流水量充沛年内分配较均匀含沙量较小而北方干旱地区的河流
则水量不足年内分配不均含沙量大地带相似性反映水文现象在空间变化上存在确定性的
一面有些流域虽然所处的地理位置和气候条件相似但流域的下垫面条件存在差异水文现象
就会有很大的差异水文变化规律在某些方面具有各自的特殊性这就是水文现象的特殊性如同一气候地区山区河流的洪水过程陡涨陡落洪水历时短而平原区河流的洪水过程涨落
平缓洪水历时长植被较好的流域洪水过程平缓径流年内分配均匀河流泥沙较少而植被
较差的流域则相反这种局部性的变化反映水文现象在空间变化上也存在不确定性的一面总的来说水文现象与其他自然现象一样无论在时间或空间上均同时存在确定性和不确
定性
三研究方法
１1049008水文学的研究特点
水文循环是自然界各种水体的存在条件和相互联系的纽带是水的各种运动变化形式的
总和是水文科学研究的主要对象和核心内容而在水文循环过程中水文现象所表现出的特
点决定了水文科学研究的特点
绪 论 ３
首先水文科学把各种水文现象作为一个整体并把它们同大气圈岩石圈生物圈和人
类活动对它们的影响结合起来进行研究例如在借助水量平衡方法研究某个流域的水量变
化时既要考虑流域周围大气中水汽输送也要考虑流域上空大气中水分含量的变化既要考
虑降水也要考虑蒸发既要考虑流域的地面径流也要考虑流域土壤含水量和流域内外地下
水的交换而且还要考虑流域内水利工程以及其他人类活动的影响其次水文科学主要根据已有的水文资料预测或预估水文情势未来状况直接为人类的
生活和生产服务例如提供洪水预报和各种水情预报对旱涝灾害的发生做出中长期预测为水利工程在未来运转时期中可能遇到的特大洪水做出概率预估等
同时水文科学主要靠建立的水文观测站网通过对自然界已发生的水文现象的观测进行
分析和研究各种水文实验除少数在实验室内进行以外主要是在自然界中如在实验流域
中进行
２1049008水文现象的研究方法
根据水文现象的基本特点按不同的目的和要求水文现象研究方法有３种
１)成因分析法 根据实测的水文资料对各种水文现象研究其发生和形成过程揭露
各物理环节间的内在联系建立水文现象各要素间的定性与定量关系即寻求各种水文现象的
成因规律这种方法称为成因分析法如对径流的成因研究一般是选择有代表性的实验流域通过对降雨蒸发下渗径流等
要素的观测研究由降雨到径流过程间各环节的物理机制定量转换规律从而得出降雨与径
流量之间以及降雨过程与径流过程之间的定量关系这在水文计算和水文预报中有重大的应
用价值成因分析法是建立在水文过程的物理基础之上比单纯用经验方法或统计方法要完善的
多但目前对某些水文现象的认识还不是很清楚特别是对水文过程各环节所有要素值不能全
部通过观测得到还缺乏合理的定量方法所以即使采用成因分析法仍不免把经验处理和统
计分析作为辅助手段
２)统计分析法 水文现象特征值的出现具有随机性如年径流量年降水量年最大洪
峰流量等均可视为随机变量对于长期的水文观测资料可利用数理统计方法求得水文特征
的统计规律从而对水文特征值做出超长期的概率预估为工程设计管理提供可靠依据还可
应用统计分析水文现象之间水文现象与其影响因素之间的相关分析据以建立经验相关关
系该方法广泛应用于水文分析计算水文预报之中
３)地理综合法 根据水文现象特征值具有地带性规律的特点可以对各测站水文要素
的特征值在消除其非地带性因素后绘制各种水文特征值的等值线图此等值线图可用来推
求无实测资料区域的特征值有时也可用各测站的水文特征值与所在流域的自然地理特征值
(如流域面积河道平均坡度等)之间建立地区经验公式推求无资料相似流域的水文特征值如甲乙两地区的气候和自然地理条件都相似水文现象也相似则可将甲地区的水文特征
值直接移用到乙地区这种方法通常称为水文比拟法也属于地理综合法地理综合法特别适用于无资料(资料不全)地区的各种水文计算和水资源评价另外在测
站布设时如果充分考虑水文现象的地带性规律的特点则可以用最少的测站观测到的资料去解决各种自然地理特点流域的水文计算问题
４ 流域水文学
四课程性质及教学目的要求
水土保持学科是以水土流失成因为基础以水土保持措施设计布局为手段实现防治水
土流失提高水土资源利用效率的目标最终达到建立良好生态环境目的的一门应用技术学
科laquo流域水文学raquo课程对学生理解土壤侵蚀过程径流泥沙测验和水土保持措施规划设计与
布设等均有重要作用故它一直是水土保持专业教学中的一门必修学科基础课针对水土
保持专业的laquo流域水文学raquo课程教学应重点培养学生具备扎实的水文学理论基础和基本应用
能力扎实的理论基础应包括水文学基本特点及研究方法水文循环河川径流的形成及其影响
因素以及产汇流基本理论等基本应用能力应包括水土保持水文信息收集产汇流计算设计
径流及设计洪水计算等laquo流域水文学raquo课程以坡面降雨径流侵蚀产沙和水土保持措施水文效应为主线要求学生
重点掌握坡面产流规律设计径流计算小流域设计洪水计算和水土保持径流泥沙观测等熟悉设计洪水的计算了解水土保持措施的水文效应基于以上几点教学内容本教材由下列４部分组成
(１)水文学基本原理部分主要阐述水文循环基本过程影响因素各要素的物理机制和
分析计算方法水量平衡原理及其应用以及水文循环的作用效应等(２)产汇流基本知识部分主要从成因分析角度阐述产流机制产流模式产流计算汇流
计算(３)设计径流计算部分主要从水文统计角度利用水文频率计算确定设计年径流量由
流量资料推求设计洪水和由降雨资料推求设计洪水的基本方法介绍小流域设计洪水方法(４)水土保持径流泥沙观测与估算部分主要介绍通过水土保持径流泥沙观测获取径流
泥沙资料的基本方法借助流域水文模型对水文规律进行模拟对未来一定时期的水文状态做
出定性和定量的预测分析水土保持措施对流域径流泥沙的影响
第一章 水循环与水资源
【内容提要】 自然界水体在太阳辐射作用下蒸发进入大气随气流输送输送中遇到适
当的条件形成降水部分形成径流以各种形式补给地球上的水体使得地球上的各类水资源
得以补充本章主要介绍水循环现象水量平衡原理和水资源基本概念
第一节 自然界的水循环
一地球上水的分布
水是地球上分布最为广泛的物质之一它以气态液态和固态三种形式存在于空气地表
与地下成为大气水海水和陆地水并和存在于所有动植物有机体内的生物水组成了一个
统一的相互联系的水圈地球上的水水平分布面积很广垂直分布则存在于大气圈生物圈岩石圈之中其水量
非常丰富约为１３1049008８６times１０８km３所以地球有ldquo水的行星rdquo之称(表１Ｇ１)
表１Ｇ１ 全球的水储量
水体水储量 咸水 淡水
１０３km３ １０３km３ １０３km３
海洋水 １３３８０００1049008０ ９６1049008５４ １３３８０００ ９９1049008０４ mdash mdash
冰川与永久雪盖 ２４０６４1049008１ １1049008７４ mdash mdash ２４０６４1049008１ ６８1049008７０
地下水 ２３４００1049008０ １1049008６９ １２８７０ ０1049008９５ １０５３０1049008０ ３０1049008０６
永冻土底冰 ３００1049008０ ０1049008０２ mdash mdash ３００1049008０ ０1049008８６
湖泊水 １７６1049008４ ０1049008０１３ ８５1049008４ ０1049008００６ ９１1049008０ ０1049008２６
土壤水 １６1049008５ ０1049008００１ mdash mdash １６1049008５ ０1049008０４７
大气水 １２1049008９ ０1049008０００９ mdash mdash １２1049008９ ０1049008０３７
沼泽水 １１1049008５ ０1049008０００８ mdash mdash １１1049008５ ０1049008０３３
河流水 ２1049008１２ ０1049008０００２ mdash mdash ２1049008１２ ０1049008００６
生物水 １1049008１２ ０1049008０００１ mdash mdash １1049008１２ ０1049008００３
总 计 １３８５９８４1049008６ １００ １３５０９５５1049008４ １００ ３５０２９1049008２ １００
资料来源贺伟程1049008１９９２1049008世界水资源水利1049008中国水利大百科全书1049008北京中国大百科全书出版社
海水世界上海洋的面积为３1049008６１times１０８km２占地球表面积的７１海水的体积为１1049008３４times１０８km３占地球总储水量的９６1049008５
地下水地下水通常是指储存在地壳含水层中的重力水总储量为２1049008３４times１０７km３其中
地下淡水的储量为１1049008０５times１０７km３土壤水土壤水是指储存于地表最上部约２m 厚土层内的水当土层的平均湿度为
１０相当于含水深度为０1049008２m如果以陆地上土层覆盖总面积８２００万km２ 计算那么土壤水
的储量为１1049008６５times１０６km３
６ 流域水文学
冰雪水陆地上现代冰川的总面积超过１1049008６times１０７km２总体积为２1049008７times１０７km３若以冰的
密度９００kgm３ 计算折合成液态水约为２1049008４times１０７km３为地表河流湖泊总储水量的１２７倍湖泊水世界上大小湖泊多达数百万个全球湖泊水总储量为１1049008７６times１０７km３其中淡水储
量０1049008９１times１０７km３沼泽水沼泽水是一种特殊的水体没有开阔的水域只是陆地上层土壤中含有大量停滞
水分的过湿地段地球上沼泽的总面积约为２1049008６８times１０６km２总储水量约为１1049008１５times１０４km３河流水由于河水不停地流动全世界河床静储水量为２１２０km３占地球上总储水量
的０1049008０００２生物水生物水是指生物有机体中所含的水分据计算全球生物水的总量为１１２０km３
占地球总储水量的０1049008０００１大气水地表之上大气中的水汽来自地球表面各种水体水面的蒸发土壤蒸发及植物散
发并借助空气的垂直交换向上输送一般说来空气中的水汽含量随高度的增大而减少大
气水在７km 以内总量约有１２９００km３折合成水深约为２５mm仅占地球总水量的０1049008００１虽然数量不多但活动能力却很强是云雨雪雹霰雷闪电的根源
二水循环现象
(一)水循环基本过程
水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射地心引力等作用下通过蒸发水汽输送凝结降水下渗以及径流等环节不断地发生相态转换和周而复始运动的过程
从全球整体角度来说水循环过程可以设想从海洋的蒸发开始蒸发的水汽升入空中并被气流输送至各地其中大部分留在海洋上空少部分深入内陆在适当条件下这些水汽凝
结成为降水海面上的降水直接回归海洋而降落到陆地表面的雨雪除重新蒸发升入空中的
水汽外一部分成为地面径流补给江河湖泊另一部分渗入岩土层中转化为壤中流与地下径
流地面径流壤中流与地下径流最后也流入海洋构成全球性统一的连续有序的动态大
系统水循环广及整个水圈并深入大气圈岩石圈及生物圈其循环路径并非单一的而是通
过无数条路线实现循环和相变的所以水循环系统是由无数不同尺度不同规模的局部水循环
所组合而成的复杂系统图１Ｇ１为全球海陆间水循环过程的概化图整个过程可分解为水汽蒸发水汽输送凝结
降水水分入渗地表和地下径流等五个基本环节这五个环节既相互联系相互影响又交错
并存相对独立并在不同的环境条件下呈现不同的组合在全球各地形成一系列不同规模的
地区水循环
(二)水循环机理
地球上的水分在交替循环过程中总是溶解并携带着某些物质一起运动如溶于水中的各
种化学元素气体以及泥沙等固体杂质等不过这些物质不可能像水分那样构成完整的循环
系统所以通常意义上的水文循环仅指水分循环简称水循环太阳辐射与重力作用是水循环的基本动力此动力不消失水循环将永恒存在水的物理
性质在常温常压条件下液态气态固态三相变化的特性是水循环的前提条件外部环境包括
第一章 水循环与水资源 ７
图１Ｇ１ 水循环示意图(图中数字为水循环各环节转化量单位为１０４km３)
地理纬度海陆分布地貌形态等则制约了水循环的路径规模与强度水循环遵循质量守恒定律整个循环过程保持着连续性从实质上说水循环是物质与能量
的传输储存和转化过程而且存在于每一环节在蒸发环节中伴随液态水转化为气态水的是
热能的消耗伴随着凝结降水的是潜热的释放所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过
程据测算全球海陆日平均蒸发量为１1049008５８times１０１３m３是长江全年入海径流量的１1049008６倍蒸发这
些水汽的总耗热量高达３1049008８７８times１０２１J如折合电能为１０1049008７７times１０１４kW1048944h所以地面潜热交换成为
大气热量的主要来源由降水转化为地面与地下径流的过程则是势能转化为动能的过程这
些动能成为水流的动力消耗于沿途的冲刷搬运和堆积作用直到注入海洋才消耗殆尽
(三)流域水循环
在全球尺度上水循环是一个闭合的系统但是就流域的角度看水循环则是多个环节有
机耦合并外部开放的巨系统对于流域大气系统系统输入为流域外水汽输入系统输出为流
域内水汽输出蓄变量为流域大气水汽蓄变量对于流域地面系统而言系统输入为流域降水非闭合流域还有流域外地表水和地下水入流系统输出为流域内径流和蒸发蓄变量为流域地
表水蓄变量对于流域土壤系统而言系统输入为流域土壤入渗系统输出为流域土壤蒸发植被散发地下水上升蒸发土壤渗入地下水的补给和壤中出流蓄变量为流域土壤水蓄变量对于流域地下水系统而言系统输入为土壤渗入地下水的降水补给河渠水的渗入地表蓄水渗
漏越流补给灌溉回归水补给非闭合流域侧渗和区外含水层流入系统输出为地下水上升蒸
发地下水河道排泄地下出流和越流排泄蓄变量为流域地下水蓄变量流域水循环作为水循环特定空间范围内的一种具体实现是由一系列微观尺度的水循环过
程嵌套而成的同时作为陆地水循环和全球水循环的一个组成部分流域水循环及其演变过程
又受控于全球水循环的一般形势但是就流域水循环的结构看则大多表现为一个多层嵌套的
级联系统总体上看流域水循环包括降水蒸发下渗以及从上游到下游的产汇流过程但对
流域的局部地区(如支流或蓄水体)而言同时也是一个包含上述各水循环过程的开放系统
８ 流域水文学
三影响水循环的因素
影响水循环的因素很多一般可归纳为四大类气象因素如温度湿度风速风向等自然地理条件如地形地貌地质构造土壤和植被情况等人类活动包括各种水利措施农业措
施和水土保持措施等地理位置在这四类因素中气象因素是主要的起主导作用的因为在水循环的四个环节中有三个
(蒸发水汽输送降水)环节取决于气象条件径流虽受地形地貌地质构造土壤和植被等下
垫面条件的影响但径流的形成及其时空变化在很大程度上仍取决于气象条件自然地理条
件主要是通过蒸发和径流来影响水分循环有利于蒸发的地区水循环活跃而有利于径流的
地区则不利于水分循环人类活动对水分循环的影响主要表现在调节径流影响蒸发和降
水等水分循环环节上总之人类活动是通过改变下垫面条件来影响水分循环各环节的
第二节 水 量 平 衡
一水量平衡原理
水量平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体体现也是水循环得以存在的基础根据
物质不灭定律在水循环过程中对于任意选择的区域(或水体)在任意时段内其收入水量与
支出水量之间的差额等于该时段区域(或水体)内蓄水量的变化量即水在循环过程中从总体
上保持收支平衡水量平衡是研究水文现象的基本方法通过水量平衡可对水循环建立定量概念从而了解
各循环要素之间的定量关系水量平衡的基本方程为
I－O＝W２－W１＝ΔW (１Ｇ１)
式中I为给定时段内输入区域(或水体)的水量(mm 或 m３)O 为给定时段内输出区域(或水
体)的水量(mm 或 m３)W１W２ 为给定时段始末区域(或水体)的蓄水量(mm 或 m３)ΔW 为
时段内蓄水量的变化量ΔW＞０表示区域蓄水量增加ΔW＜０表示蓄水量减少(mm 或 m３)从本质上说水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现也是地球上水循环能
够持续不断进行下去的基本前提水循环是地球上客观存在的自然现象水量平衡是水循环
内在的规律水量平衡方程式则是水循环的数学表达式
二通用水量平衡方程
基于水量平衡原理以地面的某个部分作为研究对象这部分地面具有湖泊沼泽等水体并交错许多进出水道沿这部分地面的边界想象做出一个垂直的柱体柱体底部为地面以下
某一深度的水平面并假设该水平面上下的水量不进行交换根据水量平衡原理可知在某一
定时段内进入该区域的水量减去该柱体流出的水量应当等于该柱体内的蓄水变化量该区域水量收入部分包括以下各项①时段内的降水量P②时段内的凝结量X指水分
蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由河流流入的径流量ΣR地面入 ④由地下流入的径
流量ΣR地下入 ⑤柱体内时段初始蓄水量W 初 该区域水量支出部分包括以下各项①水分蒸发量E②由河流流出的径流量 ΣR地面出
第一章 水循环与水资源 ９
时段内的凝结量 X指水分蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由地下流出的径流
ΣR地下出 ④柱体内时段末期蓄水量W 末 ⑤用水量Y由此可列出任意区域在任意时段的通用水量平衡方程式为
P＋X ＋sumR地面入 ＋sumR地下入 ＋W 初 ＝E＋sumR地面出 ＋sumR地下出 ＋W 末 ＋Y
(１Ｇ２)
三流域水量平衡方程
对于一个天然闭合流域其地面分水线与地下分水线一致(分水线概念见第２章)则不可
能有水从外流域经地表或地下流入故通用水量平衡方程中ΣR地面入 和ΣR地下入 均为０凝结
量X 并入降水中计算令流出的总水量为R即
R＝sumR地面出 ＋sumR地下出 (１Ｇ３)
则有
P＝E＋R＋Y＋ΔW (１Ｇ４)
式中Y 为流域内国民经济的用水量包括灌溉用水量工业用水量外区域引水量及其他用水
量其中灌溉耗水量消耗于蒸发可计入流域总蒸发E 之中另一部分工业净耗水量消耗于蒸
发一部分是产品带水消耗于蒸发也计入E 之中而带水产品数量则很小可略去不计所以
闭合流域给定时段的水量平衡方程可写为
P＝E＋R＋ΔW (１Ｇ５)
如果所取的计算时段为一年则上式为闭合流域年水量平衡方程ΔW 为年初与年终流域
蓄水量的变化量如ΔW＞０则表示年内的降水一部分消耗于径流和蒸发其余则储蓄在流域
之内ΔW＜０表示年内径流蒸发不仅来自降水还有一部分来自流域原有的蓄水量对于多年平均来说流域内蓄水量变化量的均值近似为零即ΔW＝０故闭合流域多年平
均水量平衡方程为
P－
＝E－＋R
－ (１Ｇ６)
式中P－为多年平均降水量(mm 或 m３)R
－为多年平均径流量(mm 或 m３)E
－为多年平均蒸发
量(mm 或 m３)可见对于闭合流域多年平均流域的降水量等于多年平均径流量与多年平均蒸发量之和
PER 是水量平衡中的三个基本要素已知其中任意两项据此即可推求第三项值对于非闭合流域或较小流域地面与地下分水线不一致有一部分水量以渗流方式流至外
流域这种情况式(１Ｇ６)不成立应改写为
P＝E＋R＋ΔRprime＋ΔW (１Ｇ７)
式中ΔRprime为流域间水量交换量(mm 或 m３)其余符号同前有时也可以以径流量蒸发量对降水量的相对值来反映流域的水文特性式(１Ｇ６)两边除
以P－可得
E－
P－ ＋
R－
P－ ＝１ (１Ｇ８)
令R－
P－ ＝α０
E－
P－ ＝β０
１０ 流域水文学
则 α０＋β０＝１ (１Ｇ９)式中α０ 为多年平均径流系数β０ 为多年平均蒸发系数
α０β０ 反映了一个地区的气候和下垫面特性对于湿润地区α０ 较大可大于０1049008５干旱地
区α０ 较小有的只有百分之几而β０ 正好相反
第三节 水 资 源
一水资源的内涵
水是宝贵的自然资源也是自然生态环境中最积极最活跃的因素同时水又是人类生存
和社会经济活动的基本条件其应用价值表现为水量水质及水能三个方面地球上的水资源广义来说是指水圈内所有水包括海洋河流湖泊沼泽冰川土壤
水地下水及大气水都是人类宝贵的财富但是对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰
川限于当前的经济技术条件目前大规模开发利用还有许多困难狭义的水资源不同于自然界的水体它仅仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利
用的那一部分动态水体这种开发利用不仅目前技术上可能而且经济上合理且对生态环
境可能造成的影响也是可接受的这种水资源主要指河流湖泊地下水和土壤水等淡水一些区域还包括微咸水
需要说明的是土壤水虽然不能直接用于工业城镇供水但它是植物生长必不可少的条
件可以直接被植物吸收所以土壤水也应属于水资源范畴至于大气降水它不仅是径流形
成的最重要因素也是淡水资源的最主要甚至唯一的补给来源
二水资源特性
狭义而言水资源主要指水循环周期内可以恢复再生的能为人类直接利用的淡水资源它具有如下特征
(１)水资源的可再生性水资源与其他固体资源的本质区别在于其流动性是在循环中
形成的一种动态资源水资源在开采利用后能够得到大气降水的补给处在不断地开采补给和消耗恢复的循环之中
(２)储量有限性水资源处在不断地消耗和补充过程中在某种意义上水资源具有ldquo取之
不尽rdquo的特点恢复性强但实际上淡水资源储量是十分有限的且淡水资源大部分储存在极
地冰帽和冰川中真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的０1049008００７６８从水
量动态平衡的观点来看某一期间的水量消耗量应接近于该期间的水量补给量否则将会破坏
水平衡造成一系列环境问题可见水资源过程是无限的水资源储量是有限的并非取之不
尽用之不竭(３)时空分布不均匀性水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布特征时空分布的
不均匀性是水资源的又一特性我国水资源在区域上分布极不均匀总体来说东南多西北
少沿海多内陆少山区多平原少在同一地区中不同时间分布差异性很大一般是夏多冬少(４)因果随机性自然界中可更新的水资源主要来源于大气降水和融雪水其循环转换
具有因果关系由于大气降水和融雪水在时空上存在随机性导致水资源转化过程中有随机
性如某一区域既有丰平枯三种年型又有连枯连丰情况一年当中还有枯水期和丰水期这种变化都是随机的具有一定统计规律
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目 录
序
前言
绪论 １1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流域水文学研究的对象 １104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水文现象的特征 ２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三研究方法 ２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四课程性质及教学目的要求 ４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第一章 水循环与水资源 ５1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 自然界的水循环 ５10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一地球上水的分布 ５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水循环现象 ６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三影响水循环的因素 ８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 水量平衡 ８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水量平衡原理 ８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二通用水量平衡方程 ８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三流域水量平衡方程 ９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 水资源 １０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水资源的内涵 １０104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水资源特性 １０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三世界与我国水资源情况 １１104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 １２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第二章 河川径流的形成及其影响因素 １３104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 流域水系和河流 １３104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流域特征 １３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水系特征 １６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三河流断面 １７10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 降水 １９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一降水及其要素 １９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二降水时空分布特征的表示方法 ２２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三流域平均降水量计算 ２３1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四我国年降水量的分布 ２５1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 蒸发与散发 ２５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水面蒸发 ２６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二土壤蒸发 ２７10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
iv 流域水文学
三植物蒸腾 ２８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四流域蒸散发 ２９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 土壤水下渗与地下水 ２９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一土壤水 ２９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二下渗 ３１1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三地下水类型及特征 ３４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第五节 径流的形成 ３６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流域蓄渗过程 ３７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二坡地汇流过程 ３７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三河网汇流过程 ３８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四流量过程线及其组成 ３８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第六节 河流水情 ３９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一河流的水位与流量 ３９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二径流的计量 ４０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三河流的水源补给 ４２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四河流的径流情势 ４３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五洪水 ４４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
六枯水 ４５1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ４８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第三章 水土保持径流和泥沙测验 ４９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 水土保持径流泥沙观测站的布设 ４９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持径流泥沙测验的特点 ４９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二观测站布设的基本要求 ４９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三观测站网的布设 ５０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四测站控制 ５１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 径流观测 ５２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一河道流量测验 ５２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二小流域径流的观测 ５９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 泥沙观测 ６２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一河流泥沙特征 ６２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二河流泥沙测验 ６４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三小流域泥沙的观测 ７０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四径流场径流泥沙观测 ７１1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 其他观测项目 ７３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一降水观测 ７３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二蒸散发观测 ７４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三土壤入渗观测 ７６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第五节 水文调查与水文遥感 ７６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流量资料整编 ７６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水文调查 ７９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
目 录 v
三水文遥感 ８０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ８１104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第四章 流域产汇流计算 ８２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 流域产流计算 ８２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一产流机制 ８２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二流域产流模式 ８８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三流域产流面积变化 ９０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四蓄满产流模式的产流计算 ９２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五超渗产流模式的产流计算 ９４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 流域汇流计算 ９７10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一概述 ９７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二单位线法 ９９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三瞬时单位线 １０７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四地下径流汇流计算 １１３1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 １１４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第五章 水文分析计算 １１６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 水文频率计算 １１６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一经验频率曲线 １１６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二理论频率曲线 １２０104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三水文频率计算适线法 １２３104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 相关分析 １２７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一相关关系 １２８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二简单直线相关 １２９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三曲线选配 １３２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四复相关 １３３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 设计年径流计算 １３４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一概述 １３４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二具有长期径流资料时设计年径流的计算 １３６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三具有短期实测径流资料时设计年径流的计算 １４０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四无实测资料时设计年径流的计算 １４２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五设计年径流的时程分配 １４４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 流域设计洪水 １４６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一由流量资料推求设计洪水 １４６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二由暴雨资料推求设计洪水 １５８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三小流域设计洪水 １７２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 １８４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第六章 流域泥沙 １８７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 流域泥沙输移 １８７10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流域产沙 １８７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二泥沙输移比概念 １９１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
vi 流域水文学
第二节 流域输沙量的估算 １９５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一泥沙资料整编 １９５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二悬移质多年平均输沙量的估算 １９６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三推移质多年平均输沙量的估算 １９８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四悬移质输沙量的年内分配 １９８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 泥沙淤积 １９８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一坝库淤积状态 １９８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二坝库淤积量的计算 １９９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三坝库淤积的控制 ２０２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２０３104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第七章 流域水文模型 ２０４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 概述 ２０４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 集总式水文模型 ２０７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水箱 (Tank)模型 ２０７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二新安江 (三水源)模型 ２１０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三SCS模型 ２１３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 分布式水文模型 ２１５1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一MIKESHE模型 ２１６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二SWAT模型 ２１９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三TOPMODEL模型 ２２２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 流域水文模型的应用 ２２６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水文计算 ２２６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水文预报 ２２６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三估计人类活动的影响 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四模型区域化mdashmdashmdash模型参数的地区综合 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五水质控制 ２２７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第八章 水土保持措施对径流泥沙的影响 ２２８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 影响径流泥沙的水土保持措施及蓄水保土机理 ２２８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一影响径流泥沙的水土保持措施 ２２８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持工程措施的蓄水保土机理 ２２８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三水土保持生物措施的蓄水保土机理 ２３０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四水土保持农业技术措施的蓄水保土机理 ２３１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 水土保持措施对径流的影响与估算 ２３４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持工程措施对径流的影响与估算 ２３４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持生物措施对径流的影响与估算 ２３５10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三水土保持农业技术措施对径流的影响与估算 ２３７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 水土保持措施对泥沙的影响与估算 ２４０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持工程措施对泥沙的影响与估算 ２４０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持生物措施对泥沙的影响与估算 ２４１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
目 录 vii
三水土保持农业技术措施对泥沙的影响与估算 ２４１1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 水土保持效益的观测与估算 ２４２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持效益观测 ２４２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持效益估算 ２４６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２４８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018参考文献 ２４９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018附表 ２５１104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
绪 论
一流域水文学研究的对象
地球上水的存在形式多种多样它总是以气态液态固态的形式存在于地球的表面地球
的大气层中和地球的土壤岩层中大气中的水汽地面上的江河湖沼海洋和地下水等统称
为水体水体是以一定形态存在于某一环境之中且具有独特的水文规律和水文特征的水气态固态液态的形式不断转化地表水大气水地下水之间不断进行变换和转移并在时
空分布上不断发生变化从而构成了复杂的水文现象水文学是研究地球上各种水体的形成运动过程分布规律及其相互联系和转化规律的科
学是在人类长期开发利用水资源并与水旱灾害作斗争的生产实践中通过观测实验和分析
计算深入研究各种水文现象及其规律而形成的一门学科流域作为一个封闭的地形单元溪流或河川排泄某一断面以上全部面积的径流流域也是一个水文单元流域水文学主要研究
一个流域内水体的形成运动过程分布规律及其相互转化相互联系规律的科学我国是一个多山的国家山地丘陵面积约占国土总面积的２３还是一个水土流失十分
严重的国家全国轻度侵蚀以上的水蚀面积为１７９万km２水土流失不仅给当地人民的生产
生活带来了极大影响而且由于泥沙输移下泄淤塞下游河道水库一遇洪水将给下游的工农
业生产乃至人民生命财产的安全造成严重威胁新中国成立以后党中央国务院对水土保持
工作十分重视为了充分发挥水土资源及其他自然资源的生态效益经济效益社会效益以流域为单元在全面规划的基础上合理安排农林牧副各业用地因地制宜地布设综合治理
措施对水土资源及其他自然资源进行保护改良和合理利用以流域为单元的水土流失治理
工作的发展促进了流域水文学的发展一个闭合小流域能较完整地反映从降雨引起的产流产沙及汇流输沙的全部过程针对流
域水文的研究有利于了解和掌握水的运动运行规律和各水文特征值的变化及其影响机制水土保持工作以小流域为单元进行综合治理有利于按照客观规律和自然特点合理地开
发利用水土资源有利于把治坡与治沟生物措施与工程措施长远利益与当前利益结合起来最大限度地提高土地利用率和劳动生产率从而加快了治理速度提高了经济效益和生态效
益小流域治理已成为我国治理水土流失的主要形式流域水文学是结合流域治理的需要逐渐形成和发展的一门应用技术即应用水文学知识于流域治理之中是一门合理开发利用各
种水资源进行流域治理的基础学科流域水文学正是基于水土保持工作发展和实践的需要并随着水文科学技术的进步及气
象学地貌学土壤学地质学山坡水文学农业水文学森林水文学土壤物理学等有关学科
的渗透而逐步发展形成的一门水文学的分支学科流域水文学是以闭合流域为模式以水分循环和水量平衡原理为理论基础河川径流形成
及流域产汇流理论从成因分析角度论述了流域水的运动运行规律水与环境条件之间的相互
依存相互制约的关系以及人类通过改变环境条件对径流的影响为小流域水土流失的治理
工作奠定理论基础水文分析计算包括了设计年径流多年平均年输沙量设计洪水和枯水径
流是小流域水土保持工程规划设计的重要依据通过水文计算合理地确定工程措施的规模
２ 流域水文学
和标准使工程既经济合理又安全可靠水土保持径流泥沙观测和流域泥沙输移是研究水
土流失规律及小流域综合治理效益不可缺少的内容它为学习者提供了研究方法和技能
二水文现象的特征
水文现象受气候和自然地理因素的综合影响而这些因素的组合和变化决定了水文规律时空分布变化上具有以下特点
１1049008时程上的周期性与随机性
所谓周期性是指水文现象的过程大致以某一时段为循环周期例如河流的水量变化在一年中有丰水期(汛期)和枯水期尽管各年的总水量有大有小但各年的丰枯交替过程是相
似的形成上述周期变化的原因主要是地球公转及自转地球和月球的相对运动以及太阳黑
子的周期性运动所导致的昼夜四季交替的影响所致水文现象的周期性不像数学上的周期函数那样各周期的变化过程和相应数值完全重复
的出现水文现象周期性只是表现在不同时期内其数量在时程上的变化趋势大致相似虽然河流每年均会出现汛期或枯水期但是每年汛期和枯水期出现的时间水量和过程通
常是不会完全重复的即每年汛期出现的时间和量值具有随机性各周期相应过程上的数值
及各种水文特征值具有偶然性例如一条河流在不同年份的流量过程虽然都有相似的丰
枯交替变化但不会完全相同这是因为影响水文现象的因素众多各因素本身在时间上也在
不断地变化并且相互作用相互制约对于具有随机性特点的各种水文特征值主要应用数
理统计和概论理论来研究其变化规律因此在时间上水文现象的周期性既是必然的又是偶然的有确定性的一面又有随机性
的一面
２1049008地区上的相似性与特殊性
水文现象在地区分布上既存在相似性又存在特殊性不同的流域如果所处的地理位置
(纬度距海远近等)相似由于纬度地带性的影响水文现象也就具有一定程度的相似性例
如我国南方湿润区的河流水量充沛年内分配较均匀含沙量较小而北方干旱地区的河流
则水量不足年内分配不均含沙量大地带相似性反映水文现象在空间变化上存在确定性的
一面有些流域虽然所处的地理位置和气候条件相似但流域的下垫面条件存在差异水文现象
就会有很大的差异水文变化规律在某些方面具有各自的特殊性这就是水文现象的特殊性如同一气候地区山区河流的洪水过程陡涨陡落洪水历时短而平原区河流的洪水过程涨落
平缓洪水历时长植被较好的流域洪水过程平缓径流年内分配均匀河流泥沙较少而植被
较差的流域则相反这种局部性的变化反映水文现象在空间变化上也存在不确定性的一面总的来说水文现象与其他自然现象一样无论在时间或空间上均同时存在确定性和不确
定性
三研究方法
１1049008水文学的研究特点
水文循环是自然界各种水体的存在条件和相互联系的纽带是水的各种运动变化形式的
总和是水文科学研究的主要对象和核心内容而在水文循环过程中水文现象所表现出的特
点决定了水文科学研究的特点
绪 论 ３
首先水文科学把各种水文现象作为一个整体并把它们同大气圈岩石圈生物圈和人
类活动对它们的影响结合起来进行研究例如在借助水量平衡方法研究某个流域的水量变
化时既要考虑流域周围大气中水汽输送也要考虑流域上空大气中水分含量的变化既要考
虑降水也要考虑蒸发既要考虑流域的地面径流也要考虑流域土壤含水量和流域内外地下
水的交换而且还要考虑流域内水利工程以及其他人类活动的影响其次水文科学主要根据已有的水文资料预测或预估水文情势未来状况直接为人类的
生活和生产服务例如提供洪水预报和各种水情预报对旱涝灾害的发生做出中长期预测为水利工程在未来运转时期中可能遇到的特大洪水做出概率预估等
同时水文科学主要靠建立的水文观测站网通过对自然界已发生的水文现象的观测进行
分析和研究各种水文实验除少数在实验室内进行以外主要是在自然界中如在实验流域
中进行
２1049008水文现象的研究方法
根据水文现象的基本特点按不同的目的和要求水文现象研究方法有３种
１)成因分析法 根据实测的水文资料对各种水文现象研究其发生和形成过程揭露
各物理环节间的内在联系建立水文现象各要素间的定性与定量关系即寻求各种水文现象的
成因规律这种方法称为成因分析法如对径流的成因研究一般是选择有代表性的实验流域通过对降雨蒸发下渗径流等
要素的观测研究由降雨到径流过程间各环节的物理机制定量转换规律从而得出降雨与径
流量之间以及降雨过程与径流过程之间的定量关系这在水文计算和水文预报中有重大的应
用价值成因分析法是建立在水文过程的物理基础之上比单纯用经验方法或统计方法要完善的
多但目前对某些水文现象的认识还不是很清楚特别是对水文过程各环节所有要素值不能全
部通过观测得到还缺乏合理的定量方法所以即使采用成因分析法仍不免把经验处理和统
计分析作为辅助手段
２)统计分析法 水文现象特征值的出现具有随机性如年径流量年降水量年最大洪
峰流量等均可视为随机变量对于长期的水文观测资料可利用数理统计方法求得水文特征
的统计规律从而对水文特征值做出超长期的概率预估为工程设计管理提供可靠依据还可
应用统计分析水文现象之间水文现象与其影响因素之间的相关分析据以建立经验相关关
系该方法广泛应用于水文分析计算水文预报之中
３)地理综合法 根据水文现象特征值具有地带性规律的特点可以对各测站水文要素
的特征值在消除其非地带性因素后绘制各种水文特征值的等值线图此等值线图可用来推
求无实测资料区域的特征值有时也可用各测站的水文特征值与所在流域的自然地理特征值
(如流域面积河道平均坡度等)之间建立地区经验公式推求无资料相似流域的水文特征值如甲乙两地区的气候和自然地理条件都相似水文现象也相似则可将甲地区的水文特征
值直接移用到乙地区这种方法通常称为水文比拟法也属于地理综合法地理综合法特别适用于无资料(资料不全)地区的各种水文计算和水资源评价另外在测
站布设时如果充分考虑水文现象的地带性规律的特点则可以用最少的测站观测到的资料去解决各种自然地理特点流域的水文计算问题
４ 流域水文学
四课程性质及教学目的要求
水土保持学科是以水土流失成因为基础以水土保持措施设计布局为手段实现防治水
土流失提高水土资源利用效率的目标最终达到建立良好生态环境目的的一门应用技术学
科laquo流域水文学raquo课程对学生理解土壤侵蚀过程径流泥沙测验和水土保持措施规划设计与
布设等均有重要作用故它一直是水土保持专业教学中的一门必修学科基础课针对水土
保持专业的laquo流域水文学raquo课程教学应重点培养学生具备扎实的水文学理论基础和基本应用
能力扎实的理论基础应包括水文学基本特点及研究方法水文循环河川径流的形成及其影响
因素以及产汇流基本理论等基本应用能力应包括水土保持水文信息收集产汇流计算设计
径流及设计洪水计算等laquo流域水文学raquo课程以坡面降雨径流侵蚀产沙和水土保持措施水文效应为主线要求学生
重点掌握坡面产流规律设计径流计算小流域设计洪水计算和水土保持径流泥沙观测等熟悉设计洪水的计算了解水土保持措施的水文效应基于以上几点教学内容本教材由下列４部分组成
(１)水文学基本原理部分主要阐述水文循环基本过程影响因素各要素的物理机制和
分析计算方法水量平衡原理及其应用以及水文循环的作用效应等(２)产汇流基本知识部分主要从成因分析角度阐述产流机制产流模式产流计算汇流
计算(３)设计径流计算部分主要从水文统计角度利用水文频率计算确定设计年径流量由
流量资料推求设计洪水和由降雨资料推求设计洪水的基本方法介绍小流域设计洪水方法(４)水土保持径流泥沙观测与估算部分主要介绍通过水土保持径流泥沙观测获取径流
泥沙资料的基本方法借助流域水文模型对水文规律进行模拟对未来一定时期的水文状态做
出定性和定量的预测分析水土保持措施对流域径流泥沙的影响
第一章 水循环与水资源
【内容提要】 自然界水体在太阳辐射作用下蒸发进入大气随气流输送输送中遇到适
当的条件形成降水部分形成径流以各种形式补给地球上的水体使得地球上的各类水资源
得以补充本章主要介绍水循环现象水量平衡原理和水资源基本概念
第一节 自然界的水循环
一地球上水的分布
水是地球上分布最为广泛的物质之一它以气态液态和固态三种形式存在于空气地表
与地下成为大气水海水和陆地水并和存在于所有动植物有机体内的生物水组成了一个
统一的相互联系的水圈地球上的水水平分布面积很广垂直分布则存在于大气圈生物圈岩石圈之中其水量
非常丰富约为１３1049008８６times１０８km３所以地球有ldquo水的行星rdquo之称(表１Ｇ１)
表１Ｇ１ 全球的水储量
水体水储量 咸水 淡水
１０３km３ １０３km３ １０３km３
海洋水 １３３８０００1049008０ ９６1049008５４ １３３８０００ ９９1049008０４ mdash mdash
冰川与永久雪盖 ２４０６４1049008１ １1049008７４ mdash mdash ２４０６４1049008１ ６８1049008７０
地下水 ２３４００1049008０ １1049008６９ １２８７０ ０1049008９５ １０５３０1049008０ ３０1049008０６
永冻土底冰 ３００1049008０ ０1049008０２ mdash mdash ３００1049008０ ０1049008８６
湖泊水 １７６1049008４ ０1049008０１３ ８５1049008４ ０1049008００６ ９１1049008０ ０1049008２６
土壤水 １６1049008５ ０1049008００１ mdash mdash １６1049008５ ０1049008０４７
大气水 １２1049008９ ０1049008０００９ mdash mdash １２1049008９ ０1049008０３７
沼泽水 １１1049008５ ０1049008０００８ mdash mdash １１1049008５ ０1049008０３３
河流水 ２1049008１２ ０1049008０００２ mdash mdash ２1049008１２ ０1049008００６
生物水 １1049008１２ ０1049008０００１ mdash mdash １1049008１２ ０1049008００３
总 计 １３８５９８４1049008６ １００ １３５０９５５1049008４ １００ ３５０２９1049008２ １００
资料来源贺伟程1049008１９９２1049008世界水资源水利1049008中国水利大百科全书1049008北京中国大百科全书出版社
海水世界上海洋的面积为３1049008６１times１０８km２占地球表面积的７１海水的体积为１1049008３４times１０８km３占地球总储水量的９６1049008５
地下水地下水通常是指储存在地壳含水层中的重力水总储量为２1049008３４times１０７km３其中
地下淡水的储量为１1049008０５times１０７km３土壤水土壤水是指储存于地表最上部约２m 厚土层内的水当土层的平均湿度为
１０相当于含水深度为０1049008２m如果以陆地上土层覆盖总面积８２００万km２ 计算那么土壤水
的储量为１1049008６５times１０６km３
６ 流域水文学
冰雪水陆地上现代冰川的总面积超过１1049008６times１０７km２总体积为２1049008７times１０７km３若以冰的
密度９００kgm３ 计算折合成液态水约为２1049008４times１０７km３为地表河流湖泊总储水量的１２７倍湖泊水世界上大小湖泊多达数百万个全球湖泊水总储量为１1049008７６times１０７km３其中淡水储
量０1049008９１times１０７km３沼泽水沼泽水是一种特殊的水体没有开阔的水域只是陆地上层土壤中含有大量停滞
水分的过湿地段地球上沼泽的总面积约为２1049008６８times１０６km２总储水量约为１1049008１５times１０４km３河流水由于河水不停地流动全世界河床静储水量为２１２０km３占地球上总储水量
的０1049008０００２生物水生物水是指生物有机体中所含的水分据计算全球生物水的总量为１１２０km３
占地球总储水量的０1049008０００１大气水地表之上大气中的水汽来自地球表面各种水体水面的蒸发土壤蒸发及植物散
发并借助空气的垂直交换向上输送一般说来空气中的水汽含量随高度的增大而减少大
气水在７km 以内总量约有１２９００km３折合成水深约为２５mm仅占地球总水量的０1049008００１虽然数量不多但活动能力却很强是云雨雪雹霰雷闪电的根源
二水循环现象
(一)水循环基本过程
水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射地心引力等作用下通过蒸发水汽输送凝结降水下渗以及径流等环节不断地发生相态转换和周而复始运动的过程
从全球整体角度来说水循环过程可以设想从海洋的蒸发开始蒸发的水汽升入空中并被气流输送至各地其中大部分留在海洋上空少部分深入内陆在适当条件下这些水汽凝
结成为降水海面上的降水直接回归海洋而降落到陆地表面的雨雪除重新蒸发升入空中的
水汽外一部分成为地面径流补给江河湖泊另一部分渗入岩土层中转化为壤中流与地下径
流地面径流壤中流与地下径流最后也流入海洋构成全球性统一的连续有序的动态大
系统水循环广及整个水圈并深入大气圈岩石圈及生物圈其循环路径并非单一的而是通
过无数条路线实现循环和相变的所以水循环系统是由无数不同尺度不同规模的局部水循环
所组合而成的复杂系统图１Ｇ１为全球海陆间水循环过程的概化图整个过程可分解为水汽蒸发水汽输送凝结
降水水分入渗地表和地下径流等五个基本环节这五个环节既相互联系相互影响又交错
并存相对独立并在不同的环境条件下呈现不同的组合在全球各地形成一系列不同规模的
地区水循环
(二)水循环机理
地球上的水分在交替循环过程中总是溶解并携带着某些物质一起运动如溶于水中的各
种化学元素气体以及泥沙等固体杂质等不过这些物质不可能像水分那样构成完整的循环
系统所以通常意义上的水文循环仅指水分循环简称水循环太阳辐射与重力作用是水循环的基本动力此动力不消失水循环将永恒存在水的物理
性质在常温常压条件下液态气态固态三相变化的特性是水循环的前提条件外部环境包括
第一章 水循环与水资源 ７
图１Ｇ１ 水循环示意图(图中数字为水循环各环节转化量单位为１０４km３)
地理纬度海陆分布地貌形态等则制约了水循环的路径规模与强度水循环遵循质量守恒定律整个循环过程保持着连续性从实质上说水循环是物质与能量
的传输储存和转化过程而且存在于每一环节在蒸发环节中伴随液态水转化为气态水的是
热能的消耗伴随着凝结降水的是潜热的释放所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过
程据测算全球海陆日平均蒸发量为１1049008５８times１０１３m３是长江全年入海径流量的１1049008６倍蒸发这
些水汽的总耗热量高达３1049008８７８times１０２１J如折合电能为１０1049008７７times１０１４kW1048944h所以地面潜热交换成为
大气热量的主要来源由降水转化为地面与地下径流的过程则是势能转化为动能的过程这
些动能成为水流的动力消耗于沿途的冲刷搬运和堆积作用直到注入海洋才消耗殆尽
(三)流域水循环
在全球尺度上水循环是一个闭合的系统但是就流域的角度看水循环则是多个环节有
机耦合并外部开放的巨系统对于流域大气系统系统输入为流域外水汽输入系统输出为流
域内水汽输出蓄变量为流域大气水汽蓄变量对于流域地面系统而言系统输入为流域降水非闭合流域还有流域外地表水和地下水入流系统输出为流域内径流和蒸发蓄变量为流域地
表水蓄变量对于流域土壤系统而言系统输入为流域土壤入渗系统输出为流域土壤蒸发植被散发地下水上升蒸发土壤渗入地下水的补给和壤中出流蓄变量为流域土壤水蓄变量对于流域地下水系统而言系统输入为土壤渗入地下水的降水补给河渠水的渗入地表蓄水渗
漏越流补给灌溉回归水补给非闭合流域侧渗和区外含水层流入系统输出为地下水上升蒸
发地下水河道排泄地下出流和越流排泄蓄变量为流域地下水蓄变量流域水循环作为水循环特定空间范围内的一种具体实现是由一系列微观尺度的水循环过
程嵌套而成的同时作为陆地水循环和全球水循环的一个组成部分流域水循环及其演变过程
又受控于全球水循环的一般形势但是就流域水循环的结构看则大多表现为一个多层嵌套的
级联系统总体上看流域水循环包括降水蒸发下渗以及从上游到下游的产汇流过程但对
流域的局部地区(如支流或蓄水体)而言同时也是一个包含上述各水循环过程的开放系统
８ 流域水文学
三影响水循环的因素
影响水循环的因素很多一般可归纳为四大类气象因素如温度湿度风速风向等自然地理条件如地形地貌地质构造土壤和植被情况等人类活动包括各种水利措施农业措
施和水土保持措施等地理位置在这四类因素中气象因素是主要的起主导作用的因为在水循环的四个环节中有三个
(蒸发水汽输送降水)环节取决于气象条件径流虽受地形地貌地质构造土壤和植被等下
垫面条件的影响但径流的形成及其时空变化在很大程度上仍取决于气象条件自然地理条
件主要是通过蒸发和径流来影响水分循环有利于蒸发的地区水循环活跃而有利于径流的
地区则不利于水分循环人类活动对水分循环的影响主要表现在调节径流影响蒸发和降
水等水分循环环节上总之人类活动是通过改变下垫面条件来影响水分循环各环节的
第二节 水 量 平 衡
一水量平衡原理
水量平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体体现也是水循环得以存在的基础根据
物质不灭定律在水循环过程中对于任意选择的区域(或水体)在任意时段内其收入水量与
支出水量之间的差额等于该时段区域(或水体)内蓄水量的变化量即水在循环过程中从总体
上保持收支平衡水量平衡是研究水文现象的基本方法通过水量平衡可对水循环建立定量概念从而了解
各循环要素之间的定量关系水量平衡的基本方程为
I－O＝W２－W１＝ΔW (１Ｇ１)
式中I为给定时段内输入区域(或水体)的水量(mm 或 m３)O 为给定时段内输出区域(或水
体)的水量(mm 或 m３)W１W２ 为给定时段始末区域(或水体)的蓄水量(mm 或 m３)ΔW 为
时段内蓄水量的变化量ΔW＞０表示区域蓄水量增加ΔW＜０表示蓄水量减少(mm 或 m３)从本质上说水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现也是地球上水循环能
够持续不断进行下去的基本前提水循环是地球上客观存在的自然现象水量平衡是水循环
内在的规律水量平衡方程式则是水循环的数学表达式
二通用水量平衡方程
基于水量平衡原理以地面的某个部分作为研究对象这部分地面具有湖泊沼泽等水体并交错许多进出水道沿这部分地面的边界想象做出一个垂直的柱体柱体底部为地面以下
某一深度的水平面并假设该水平面上下的水量不进行交换根据水量平衡原理可知在某一
定时段内进入该区域的水量减去该柱体流出的水量应当等于该柱体内的蓄水变化量该区域水量收入部分包括以下各项①时段内的降水量P②时段内的凝结量X指水分
蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由河流流入的径流量ΣR地面入 ④由地下流入的径
流量ΣR地下入 ⑤柱体内时段初始蓄水量W 初 该区域水量支出部分包括以下各项①水分蒸发量E②由河流流出的径流量 ΣR地面出
第一章 水循环与水资源 ９
时段内的凝结量 X指水分蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由地下流出的径流
ΣR地下出 ④柱体内时段末期蓄水量W 末 ⑤用水量Y由此可列出任意区域在任意时段的通用水量平衡方程式为
P＋X ＋sumR地面入 ＋sumR地下入 ＋W 初 ＝E＋sumR地面出 ＋sumR地下出 ＋W 末 ＋Y
(１Ｇ２)
三流域水量平衡方程
对于一个天然闭合流域其地面分水线与地下分水线一致(分水线概念见第２章)则不可
能有水从外流域经地表或地下流入故通用水量平衡方程中ΣR地面入 和ΣR地下入 均为０凝结
量X 并入降水中计算令流出的总水量为R即
R＝sumR地面出 ＋sumR地下出 (１Ｇ３)
则有
P＝E＋R＋Y＋ΔW (１Ｇ４)
式中Y 为流域内国民经济的用水量包括灌溉用水量工业用水量外区域引水量及其他用水
量其中灌溉耗水量消耗于蒸发可计入流域总蒸发E 之中另一部分工业净耗水量消耗于蒸
发一部分是产品带水消耗于蒸发也计入E 之中而带水产品数量则很小可略去不计所以
闭合流域给定时段的水量平衡方程可写为
P＝E＋R＋ΔW (１Ｇ５)
如果所取的计算时段为一年则上式为闭合流域年水量平衡方程ΔW 为年初与年终流域
蓄水量的变化量如ΔW＞０则表示年内的降水一部分消耗于径流和蒸发其余则储蓄在流域
之内ΔW＜０表示年内径流蒸发不仅来自降水还有一部分来自流域原有的蓄水量对于多年平均来说流域内蓄水量变化量的均值近似为零即ΔW＝０故闭合流域多年平
均水量平衡方程为
P－
＝E－＋R
－ (１Ｇ６)
式中P－为多年平均降水量(mm 或 m３)R
－为多年平均径流量(mm 或 m３)E
－为多年平均蒸发
量(mm 或 m３)可见对于闭合流域多年平均流域的降水量等于多年平均径流量与多年平均蒸发量之和
PER 是水量平衡中的三个基本要素已知其中任意两项据此即可推求第三项值对于非闭合流域或较小流域地面与地下分水线不一致有一部分水量以渗流方式流至外
流域这种情况式(１Ｇ６)不成立应改写为
P＝E＋R＋ΔRprime＋ΔW (１Ｇ７)
式中ΔRprime为流域间水量交换量(mm 或 m３)其余符号同前有时也可以以径流量蒸发量对降水量的相对值来反映流域的水文特性式(１Ｇ６)两边除
以P－可得
E－
P－ ＋
R－
P－ ＝１ (１Ｇ８)
令R－
P－ ＝α０
E－
P－ ＝β０
１０ 流域水文学
则 α０＋β０＝１ (１Ｇ９)式中α０ 为多年平均径流系数β０ 为多年平均蒸发系数
α０β０ 反映了一个地区的气候和下垫面特性对于湿润地区α０ 较大可大于０1049008５干旱地
区α０ 较小有的只有百分之几而β０ 正好相反
第三节 水 资 源
一水资源的内涵
水是宝贵的自然资源也是自然生态环境中最积极最活跃的因素同时水又是人类生存
和社会经济活动的基本条件其应用价值表现为水量水质及水能三个方面地球上的水资源广义来说是指水圈内所有水包括海洋河流湖泊沼泽冰川土壤
水地下水及大气水都是人类宝贵的财富但是对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰
川限于当前的经济技术条件目前大规模开发利用还有许多困难狭义的水资源不同于自然界的水体它仅仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利
用的那一部分动态水体这种开发利用不仅目前技术上可能而且经济上合理且对生态环
境可能造成的影响也是可接受的这种水资源主要指河流湖泊地下水和土壤水等淡水一些区域还包括微咸水
需要说明的是土壤水虽然不能直接用于工业城镇供水但它是植物生长必不可少的条
件可以直接被植物吸收所以土壤水也应属于水资源范畴至于大气降水它不仅是径流形
成的最重要因素也是淡水资源的最主要甚至唯一的补给来源
二水资源特性
狭义而言水资源主要指水循环周期内可以恢复再生的能为人类直接利用的淡水资源它具有如下特征
(１)水资源的可再生性水资源与其他固体资源的本质区别在于其流动性是在循环中
形成的一种动态资源水资源在开采利用后能够得到大气降水的补给处在不断地开采补给和消耗恢复的循环之中
(２)储量有限性水资源处在不断地消耗和补充过程中在某种意义上水资源具有ldquo取之
不尽rdquo的特点恢复性强但实际上淡水资源储量是十分有限的且淡水资源大部分储存在极
地冰帽和冰川中真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的０1049008００７６８从水
量动态平衡的观点来看某一期间的水量消耗量应接近于该期间的水量补给量否则将会破坏
水平衡造成一系列环境问题可见水资源过程是无限的水资源储量是有限的并非取之不
尽用之不竭(３)时空分布不均匀性水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布特征时空分布的
不均匀性是水资源的又一特性我国水资源在区域上分布极不均匀总体来说东南多西北
少沿海多内陆少山区多平原少在同一地区中不同时间分布差异性很大一般是夏多冬少(４)因果随机性自然界中可更新的水资源主要来源于大气降水和融雪水其循环转换
具有因果关系由于大气降水和融雪水在时空上存在随机性导致水资源转化过程中有随机
性如某一区域既有丰平枯三种年型又有连枯连丰情况一年当中还有枯水期和丰水期这种变化都是随机的具有一定统计规律
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iv 流域水文学
三植物蒸腾 ２８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四流域蒸散发 ２９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 土壤水下渗与地下水 ２９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一土壤水 ２９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二下渗 ３１1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三地下水类型及特征 ３４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第五节 径流的形成 ３６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流域蓄渗过程 ３７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二坡地汇流过程 ３７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三河网汇流过程 ３８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四流量过程线及其组成 ３８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第六节 河流水情 ３９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一河流的水位与流量 ３９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二径流的计量 ４０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三河流的水源补给 ４２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四河流的径流情势 ４３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五洪水 ４４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
六枯水 ４５1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ４８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第三章 水土保持径流和泥沙测验 ４９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 水土保持径流泥沙观测站的布设 ４９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持径流泥沙测验的特点 ４９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二观测站布设的基本要求 ４９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三观测站网的布设 ５０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四测站控制 ５１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 径流观测 ５２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一河道流量测验 ５２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二小流域径流的观测 ５９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 泥沙观测 ６２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一河流泥沙特征 ６２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二河流泥沙测验 ６４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三小流域泥沙的观测 ７０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四径流场径流泥沙观测 ７１1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 其他观测项目 ７３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一降水观测 ７３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二蒸散发观测 ７４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三土壤入渗观测 ７６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第五节 水文调查与水文遥感 ７６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流量资料整编 ７６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水文调查 ７９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
目 录 v
三水文遥感 ８０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ８１104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第四章 流域产汇流计算 ８２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 流域产流计算 ８２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一产流机制 ８２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二流域产流模式 ８８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三流域产流面积变化 ９０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四蓄满产流模式的产流计算 ９２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五超渗产流模式的产流计算 ９４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 流域汇流计算 ９７10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一概述 ９７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二单位线法 ９９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三瞬时单位线 １０７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四地下径流汇流计算 １１３1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 １１４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第五章 水文分析计算 １１６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 水文频率计算 １１６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一经验频率曲线 １１６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二理论频率曲线 １２０104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三水文频率计算适线法 １２３104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 相关分析 １２７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一相关关系 １２８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二简单直线相关 １２９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三曲线选配 １３２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四复相关 １３３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 设计年径流计算 １３４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一概述 １３４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二具有长期径流资料时设计年径流的计算 １３６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三具有短期实测径流资料时设计年径流的计算 １４０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四无实测资料时设计年径流的计算 １４２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五设计年径流的时程分配 １４４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 流域设计洪水 １４６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一由流量资料推求设计洪水 １４６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二由暴雨资料推求设计洪水 １５８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三小流域设计洪水 １７２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 １８４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第六章 流域泥沙 １８７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 流域泥沙输移 １８７10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流域产沙 １８７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二泥沙输移比概念 １９１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
vi 流域水文学
第二节 流域输沙量的估算 １９５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一泥沙资料整编 １９５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二悬移质多年平均输沙量的估算 １９６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三推移质多年平均输沙量的估算 １９８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四悬移质输沙量的年内分配 １９８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 泥沙淤积 １９８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一坝库淤积状态 １９８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二坝库淤积量的计算 １９９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三坝库淤积的控制 ２０２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２０３104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第七章 流域水文模型 ２０４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 概述 ２０４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 集总式水文模型 ２０７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水箱 (Tank)模型 ２０７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二新安江 (三水源)模型 ２１０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三SCS模型 ２１３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 分布式水文模型 ２１５1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一MIKESHE模型 ２１６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二SWAT模型 ２１９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三TOPMODEL模型 ２２２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 流域水文模型的应用 ２２６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水文计算 ２２６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水文预报 ２２６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三估计人类活动的影响 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四模型区域化mdashmdashmdash模型参数的地区综合 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五水质控制 ２２７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第八章 水土保持措施对径流泥沙的影响 ２２８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 影响径流泥沙的水土保持措施及蓄水保土机理 ２２８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一影响径流泥沙的水土保持措施 ２２８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持工程措施的蓄水保土机理 ２２８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三水土保持生物措施的蓄水保土机理 ２３０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四水土保持农业技术措施的蓄水保土机理 ２３１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 水土保持措施对径流的影响与估算 ２３４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持工程措施对径流的影响与估算 ２３４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持生物措施对径流的影响与估算 ２３５10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三水土保持农业技术措施对径流的影响与估算 ２３７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 水土保持措施对泥沙的影响与估算 ２４０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持工程措施对泥沙的影响与估算 ２４０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持生物措施对泥沙的影响与估算 ２４１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
目 录 vii
三水土保持农业技术措施对泥沙的影响与估算 ２４１1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 水土保持效益的观测与估算 ２４２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持效益观测 ２４２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持效益估算 ２４６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２４８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018参考文献 ２４９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018附表 ２５１104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
绪 论
一流域水文学研究的对象
地球上水的存在形式多种多样它总是以气态液态固态的形式存在于地球的表面地球
的大气层中和地球的土壤岩层中大气中的水汽地面上的江河湖沼海洋和地下水等统称
为水体水体是以一定形态存在于某一环境之中且具有独特的水文规律和水文特征的水气态固态液态的形式不断转化地表水大气水地下水之间不断进行变换和转移并在时
空分布上不断发生变化从而构成了复杂的水文现象水文学是研究地球上各种水体的形成运动过程分布规律及其相互联系和转化规律的科
学是在人类长期开发利用水资源并与水旱灾害作斗争的生产实践中通过观测实验和分析
计算深入研究各种水文现象及其规律而形成的一门学科流域作为一个封闭的地形单元溪流或河川排泄某一断面以上全部面积的径流流域也是一个水文单元流域水文学主要研究
一个流域内水体的形成运动过程分布规律及其相互转化相互联系规律的科学我国是一个多山的国家山地丘陵面积约占国土总面积的２３还是一个水土流失十分
严重的国家全国轻度侵蚀以上的水蚀面积为１７９万km２水土流失不仅给当地人民的生产
生活带来了极大影响而且由于泥沙输移下泄淤塞下游河道水库一遇洪水将给下游的工农
业生产乃至人民生命财产的安全造成严重威胁新中国成立以后党中央国务院对水土保持
工作十分重视为了充分发挥水土资源及其他自然资源的生态效益经济效益社会效益以流域为单元在全面规划的基础上合理安排农林牧副各业用地因地制宜地布设综合治理
措施对水土资源及其他自然资源进行保护改良和合理利用以流域为单元的水土流失治理
工作的发展促进了流域水文学的发展一个闭合小流域能较完整地反映从降雨引起的产流产沙及汇流输沙的全部过程针对流
域水文的研究有利于了解和掌握水的运动运行规律和各水文特征值的变化及其影响机制水土保持工作以小流域为单元进行综合治理有利于按照客观规律和自然特点合理地开
发利用水土资源有利于把治坡与治沟生物措施与工程措施长远利益与当前利益结合起来最大限度地提高土地利用率和劳动生产率从而加快了治理速度提高了经济效益和生态效
益小流域治理已成为我国治理水土流失的主要形式流域水文学是结合流域治理的需要逐渐形成和发展的一门应用技术即应用水文学知识于流域治理之中是一门合理开发利用各
种水资源进行流域治理的基础学科流域水文学正是基于水土保持工作发展和实践的需要并随着水文科学技术的进步及气
象学地貌学土壤学地质学山坡水文学农业水文学森林水文学土壤物理学等有关学科
的渗透而逐步发展形成的一门水文学的分支学科流域水文学是以闭合流域为模式以水分循环和水量平衡原理为理论基础河川径流形成
及流域产汇流理论从成因分析角度论述了流域水的运动运行规律水与环境条件之间的相互
依存相互制约的关系以及人类通过改变环境条件对径流的影响为小流域水土流失的治理
工作奠定理论基础水文分析计算包括了设计年径流多年平均年输沙量设计洪水和枯水径
流是小流域水土保持工程规划设计的重要依据通过水文计算合理地确定工程措施的规模
２ 流域水文学
和标准使工程既经济合理又安全可靠水土保持径流泥沙观测和流域泥沙输移是研究水
土流失规律及小流域综合治理效益不可缺少的内容它为学习者提供了研究方法和技能
二水文现象的特征
水文现象受气候和自然地理因素的综合影响而这些因素的组合和变化决定了水文规律时空分布变化上具有以下特点
１1049008时程上的周期性与随机性
所谓周期性是指水文现象的过程大致以某一时段为循环周期例如河流的水量变化在一年中有丰水期(汛期)和枯水期尽管各年的总水量有大有小但各年的丰枯交替过程是相
似的形成上述周期变化的原因主要是地球公转及自转地球和月球的相对运动以及太阳黑
子的周期性运动所导致的昼夜四季交替的影响所致水文现象的周期性不像数学上的周期函数那样各周期的变化过程和相应数值完全重复
的出现水文现象周期性只是表现在不同时期内其数量在时程上的变化趋势大致相似虽然河流每年均会出现汛期或枯水期但是每年汛期和枯水期出现的时间水量和过程通
常是不会完全重复的即每年汛期出现的时间和量值具有随机性各周期相应过程上的数值
及各种水文特征值具有偶然性例如一条河流在不同年份的流量过程虽然都有相似的丰
枯交替变化但不会完全相同这是因为影响水文现象的因素众多各因素本身在时间上也在
不断地变化并且相互作用相互制约对于具有随机性特点的各种水文特征值主要应用数
理统计和概论理论来研究其变化规律因此在时间上水文现象的周期性既是必然的又是偶然的有确定性的一面又有随机性
的一面
２1049008地区上的相似性与特殊性
水文现象在地区分布上既存在相似性又存在特殊性不同的流域如果所处的地理位置
(纬度距海远近等)相似由于纬度地带性的影响水文现象也就具有一定程度的相似性例
如我国南方湿润区的河流水量充沛年内分配较均匀含沙量较小而北方干旱地区的河流
则水量不足年内分配不均含沙量大地带相似性反映水文现象在空间变化上存在确定性的
一面有些流域虽然所处的地理位置和气候条件相似但流域的下垫面条件存在差异水文现象
就会有很大的差异水文变化规律在某些方面具有各自的特殊性这就是水文现象的特殊性如同一气候地区山区河流的洪水过程陡涨陡落洪水历时短而平原区河流的洪水过程涨落
平缓洪水历时长植被较好的流域洪水过程平缓径流年内分配均匀河流泥沙较少而植被
较差的流域则相反这种局部性的变化反映水文现象在空间变化上也存在不确定性的一面总的来说水文现象与其他自然现象一样无论在时间或空间上均同时存在确定性和不确
定性
三研究方法
１1049008水文学的研究特点
水文循环是自然界各种水体的存在条件和相互联系的纽带是水的各种运动变化形式的
总和是水文科学研究的主要对象和核心内容而在水文循环过程中水文现象所表现出的特
点决定了水文科学研究的特点
绪 论 ３
首先水文科学把各种水文现象作为一个整体并把它们同大气圈岩石圈生物圈和人
类活动对它们的影响结合起来进行研究例如在借助水量平衡方法研究某个流域的水量变
化时既要考虑流域周围大气中水汽输送也要考虑流域上空大气中水分含量的变化既要考
虑降水也要考虑蒸发既要考虑流域的地面径流也要考虑流域土壤含水量和流域内外地下
水的交换而且还要考虑流域内水利工程以及其他人类活动的影响其次水文科学主要根据已有的水文资料预测或预估水文情势未来状况直接为人类的
生活和生产服务例如提供洪水预报和各种水情预报对旱涝灾害的发生做出中长期预测为水利工程在未来运转时期中可能遇到的特大洪水做出概率预估等
同时水文科学主要靠建立的水文观测站网通过对自然界已发生的水文现象的观测进行
分析和研究各种水文实验除少数在实验室内进行以外主要是在自然界中如在实验流域
中进行
２1049008水文现象的研究方法
根据水文现象的基本特点按不同的目的和要求水文现象研究方法有３种
１)成因分析法 根据实测的水文资料对各种水文现象研究其发生和形成过程揭露
各物理环节间的内在联系建立水文现象各要素间的定性与定量关系即寻求各种水文现象的
成因规律这种方法称为成因分析法如对径流的成因研究一般是选择有代表性的实验流域通过对降雨蒸发下渗径流等
要素的观测研究由降雨到径流过程间各环节的物理机制定量转换规律从而得出降雨与径
流量之间以及降雨过程与径流过程之间的定量关系这在水文计算和水文预报中有重大的应
用价值成因分析法是建立在水文过程的物理基础之上比单纯用经验方法或统计方法要完善的
多但目前对某些水文现象的认识还不是很清楚特别是对水文过程各环节所有要素值不能全
部通过观测得到还缺乏合理的定量方法所以即使采用成因分析法仍不免把经验处理和统
计分析作为辅助手段
２)统计分析法 水文现象特征值的出现具有随机性如年径流量年降水量年最大洪
峰流量等均可视为随机变量对于长期的水文观测资料可利用数理统计方法求得水文特征
的统计规律从而对水文特征值做出超长期的概率预估为工程设计管理提供可靠依据还可
应用统计分析水文现象之间水文现象与其影响因素之间的相关分析据以建立经验相关关
系该方法广泛应用于水文分析计算水文预报之中
３)地理综合法 根据水文现象特征值具有地带性规律的特点可以对各测站水文要素
的特征值在消除其非地带性因素后绘制各种水文特征值的等值线图此等值线图可用来推
求无实测资料区域的特征值有时也可用各测站的水文特征值与所在流域的自然地理特征值
(如流域面积河道平均坡度等)之间建立地区经验公式推求无资料相似流域的水文特征值如甲乙两地区的气候和自然地理条件都相似水文现象也相似则可将甲地区的水文特征
值直接移用到乙地区这种方法通常称为水文比拟法也属于地理综合法地理综合法特别适用于无资料(资料不全)地区的各种水文计算和水资源评价另外在测
站布设时如果充分考虑水文现象的地带性规律的特点则可以用最少的测站观测到的资料去解决各种自然地理特点流域的水文计算问题
４ 流域水文学
四课程性质及教学目的要求
水土保持学科是以水土流失成因为基础以水土保持措施设计布局为手段实现防治水
土流失提高水土资源利用效率的目标最终达到建立良好生态环境目的的一门应用技术学
科laquo流域水文学raquo课程对学生理解土壤侵蚀过程径流泥沙测验和水土保持措施规划设计与
布设等均有重要作用故它一直是水土保持专业教学中的一门必修学科基础课针对水土
保持专业的laquo流域水文学raquo课程教学应重点培养学生具备扎实的水文学理论基础和基本应用
能力扎实的理论基础应包括水文学基本特点及研究方法水文循环河川径流的形成及其影响
因素以及产汇流基本理论等基本应用能力应包括水土保持水文信息收集产汇流计算设计
径流及设计洪水计算等laquo流域水文学raquo课程以坡面降雨径流侵蚀产沙和水土保持措施水文效应为主线要求学生
重点掌握坡面产流规律设计径流计算小流域设计洪水计算和水土保持径流泥沙观测等熟悉设计洪水的计算了解水土保持措施的水文效应基于以上几点教学内容本教材由下列４部分组成
(１)水文学基本原理部分主要阐述水文循环基本过程影响因素各要素的物理机制和
分析计算方法水量平衡原理及其应用以及水文循环的作用效应等(２)产汇流基本知识部分主要从成因分析角度阐述产流机制产流模式产流计算汇流
计算(３)设计径流计算部分主要从水文统计角度利用水文频率计算确定设计年径流量由
流量资料推求设计洪水和由降雨资料推求设计洪水的基本方法介绍小流域设计洪水方法(４)水土保持径流泥沙观测与估算部分主要介绍通过水土保持径流泥沙观测获取径流
泥沙资料的基本方法借助流域水文模型对水文规律进行模拟对未来一定时期的水文状态做
出定性和定量的预测分析水土保持措施对流域径流泥沙的影响
第一章 水循环与水资源
【内容提要】 自然界水体在太阳辐射作用下蒸发进入大气随气流输送输送中遇到适
当的条件形成降水部分形成径流以各种形式补给地球上的水体使得地球上的各类水资源
得以补充本章主要介绍水循环现象水量平衡原理和水资源基本概念
第一节 自然界的水循环
一地球上水的分布
水是地球上分布最为广泛的物质之一它以气态液态和固态三种形式存在于空气地表
与地下成为大气水海水和陆地水并和存在于所有动植物有机体内的生物水组成了一个
统一的相互联系的水圈地球上的水水平分布面积很广垂直分布则存在于大气圈生物圈岩石圈之中其水量
非常丰富约为１３1049008８６times１０８km３所以地球有ldquo水的行星rdquo之称(表１Ｇ１)
表１Ｇ１ 全球的水储量
水体水储量 咸水 淡水
１０３km３ １０３km３ １０３km３
海洋水 １３３８０００1049008０ ９６1049008５４ １３３８０００ ９９1049008０４ mdash mdash
冰川与永久雪盖 ２４０６４1049008１ １1049008７４ mdash mdash ２４０６４1049008１ ６８1049008７０
地下水 ２３４００1049008０ １1049008６９ １２８７０ ０1049008９５ １０５３０1049008０ ３０1049008０６
永冻土底冰 ３００1049008０ ０1049008０２ mdash mdash ３００1049008０ ０1049008８６
湖泊水 １７６1049008４ ０1049008０１３ ８５1049008４ ０1049008００６ ９１1049008０ ０1049008２６
土壤水 １６1049008５ ０1049008００１ mdash mdash １６1049008５ ０1049008０４７
大气水 １２1049008９ ０1049008０００９ mdash mdash １２1049008９ ０1049008０３７
沼泽水 １１1049008５ ０1049008０００８ mdash mdash １１1049008５ ０1049008０３３
河流水 ２1049008１２ ０1049008０００２ mdash mdash ２1049008１２ ０1049008００６
生物水 １1049008１２ ０1049008０００１ mdash mdash １1049008１２ ０1049008００３
总 计 １３８５９８４1049008６ １００ １３５０９５５1049008４ １００ ３５０２９1049008２ １００
资料来源贺伟程1049008１９９２1049008世界水资源水利1049008中国水利大百科全书1049008北京中国大百科全书出版社
海水世界上海洋的面积为３1049008６１times１０８km２占地球表面积的７１海水的体积为１1049008３４times１０８km３占地球总储水量的９６1049008５
地下水地下水通常是指储存在地壳含水层中的重力水总储量为２1049008３４times１０７km３其中
地下淡水的储量为１1049008０５times１０７km３土壤水土壤水是指储存于地表最上部约２m 厚土层内的水当土层的平均湿度为
１０相当于含水深度为０1049008２m如果以陆地上土层覆盖总面积８２００万km２ 计算那么土壤水
的储量为１1049008６５times１０６km３
６ 流域水文学
冰雪水陆地上现代冰川的总面积超过１1049008６times１０７km２总体积为２1049008７times１０７km３若以冰的
密度９００kgm３ 计算折合成液态水约为２1049008４times１０７km３为地表河流湖泊总储水量的１２７倍湖泊水世界上大小湖泊多达数百万个全球湖泊水总储量为１1049008７６times１０７km３其中淡水储
量０1049008９１times１０７km３沼泽水沼泽水是一种特殊的水体没有开阔的水域只是陆地上层土壤中含有大量停滞
水分的过湿地段地球上沼泽的总面积约为２1049008６８times１０６km２总储水量约为１1049008１５times１０４km３河流水由于河水不停地流动全世界河床静储水量为２１２０km３占地球上总储水量
的０1049008０００２生物水生物水是指生物有机体中所含的水分据计算全球生物水的总量为１１２０km３
占地球总储水量的０1049008０００１大气水地表之上大气中的水汽来自地球表面各种水体水面的蒸发土壤蒸发及植物散
发并借助空气的垂直交换向上输送一般说来空气中的水汽含量随高度的增大而减少大
气水在７km 以内总量约有１２９００km３折合成水深约为２５mm仅占地球总水量的０1049008００１虽然数量不多但活动能力却很强是云雨雪雹霰雷闪电的根源
二水循环现象
(一)水循环基本过程
水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射地心引力等作用下通过蒸发水汽输送凝结降水下渗以及径流等环节不断地发生相态转换和周而复始运动的过程
从全球整体角度来说水循环过程可以设想从海洋的蒸发开始蒸发的水汽升入空中并被气流输送至各地其中大部分留在海洋上空少部分深入内陆在适当条件下这些水汽凝
结成为降水海面上的降水直接回归海洋而降落到陆地表面的雨雪除重新蒸发升入空中的
水汽外一部分成为地面径流补给江河湖泊另一部分渗入岩土层中转化为壤中流与地下径
流地面径流壤中流与地下径流最后也流入海洋构成全球性统一的连续有序的动态大
系统水循环广及整个水圈并深入大气圈岩石圈及生物圈其循环路径并非单一的而是通
过无数条路线实现循环和相变的所以水循环系统是由无数不同尺度不同规模的局部水循环
所组合而成的复杂系统图１Ｇ１为全球海陆间水循环过程的概化图整个过程可分解为水汽蒸发水汽输送凝结
降水水分入渗地表和地下径流等五个基本环节这五个环节既相互联系相互影响又交错
并存相对独立并在不同的环境条件下呈现不同的组合在全球各地形成一系列不同规模的
地区水循环
(二)水循环机理
地球上的水分在交替循环过程中总是溶解并携带着某些物质一起运动如溶于水中的各
种化学元素气体以及泥沙等固体杂质等不过这些物质不可能像水分那样构成完整的循环
系统所以通常意义上的水文循环仅指水分循环简称水循环太阳辐射与重力作用是水循环的基本动力此动力不消失水循环将永恒存在水的物理
性质在常温常压条件下液态气态固态三相变化的特性是水循环的前提条件外部环境包括
第一章 水循环与水资源 ７
图１Ｇ１ 水循环示意图(图中数字为水循环各环节转化量单位为１０４km３)
地理纬度海陆分布地貌形态等则制约了水循环的路径规模与强度水循环遵循质量守恒定律整个循环过程保持着连续性从实质上说水循环是物质与能量
的传输储存和转化过程而且存在于每一环节在蒸发环节中伴随液态水转化为气态水的是
热能的消耗伴随着凝结降水的是潜热的释放所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过
程据测算全球海陆日平均蒸发量为１1049008５８times１０１３m３是长江全年入海径流量的１1049008６倍蒸发这
些水汽的总耗热量高达３1049008８７８times１０２１J如折合电能为１０1049008７７times１０１４kW1048944h所以地面潜热交换成为
大气热量的主要来源由降水转化为地面与地下径流的过程则是势能转化为动能的过程这
些动能成为水流的动力消耗于沿途的冲刷搬运和堆积作用直到注入海洋才消耗殆尽
(三)流域水循环
在全球尺度上水循环是一个闭合的系统但是就流域的角度看水循环则是多个环节有
机耦合并外部开放的巨系统对于流域大气系统系统输入为流域外水汽输入系统输出为流
域内水汽输出蓄变量为流域大气水汽蓄变量对于流域地面系统而言系统输入为流域降水非闭合流域还有流域外地表水和地下水入流系统输出为流域内径流和蒸发蓄变量为流域地
表水蓄变量对于流域土壤系统而言系统输入为流域土壤入渗系统输出为流域土壤蒸发植被散发地下水上升蒸发土壤渗入地下水的补给和壤中出流蓄变量为流域土壤水蓄变量对于流域地下水系统而言系统输入为土壤渗入地下水的降水补给河渠水的渗入地表蓄水渗
漏越流补给灌溉回归水补给非闭合流域侧渗和区外含水层流入系统输出为地下水上升蒸
发地下水河道排泄地下出流和越流排泄蓄变量为流域地下水蓄变量流域水循环作为水循环特定空间范围内的一种具体实现是由一系列微观尺度的水循环过
程嵌套而成的同时作为陆地水循环和全球水循环的一个组成部分流域水循环及其演变过程
又受控于全球水循环的一般形势但是就流域水循环的结构看则大多表现为一个多层嵌套的
级联系统总体上看流域水循环包括降水蒸发下渗以及从上游到下游的产汇流过程但对
流域的局部地区(如支流或蓄水体)而言同时也是一个包含上述各水循环过程的开放系统
８ 流域水文学
三影响水循环的因素
影响水循环的因素很多一般可归纳为四大类气象因素如温度湿度风速风向等自然地理条件如地形地貌地质构造土壤和植被情况等人类活动包括各种水利措施农业措
施和水土保持措施等地理位置在这四类因素中气象因素是主要的起主导作用的因为在水循环的四个环节中有三个
(蒸发水汽输送降水)环节取决于气象条件径流虽受地形地貌地质构造土壤和植被等下
垫面条件的影响但径流的形成及其时空变化在很大程度上仍取决于气象条件自然地理条
件主要是通过蒸发和径流来影响水分循环有利于蒸发的地区水循环活跃而有利于径流的
地区则不利于水分循环人类活动对水分循环的影响主要表现在调节径流影响蒸发和降
水等水分循环环节上总之人类活动是通过改变下垫面条件来影响水分循环各环节的
第二节 水 量 平 衡
一水量平衡原理
水量平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体体现也是水循环得以存在的基础根据
物质不灭定律在水循环过程中对于任意选择的区域(或水体)在任意时段内其收入水量与
支出水量之间的差额等于该时段区域(或水体)内蓄水量的变化量即水在循环过程中从总体
上保持收支平衡水量平衡是研究水文现象的基本方法通过水量平衡可对水循环建立定量概念从而了解
各循环要素之间的定量关系水量平衡的基本方程为
I－O＝W２－W１＝ΔW (１Ｇ１)
式中I为给定时段内输入区域(或水体)的水量(mm 或 m３)O 为给定时段内输出区域(或水
体)的水量(mm 或 m３)W１W２ 为给定时段始末区域(或水体)的蓄水量(mm 或 m３)ΔW 为
时段内蓄水量的变化量ΔW＞０表示区域蓄水量增加ΔW＜０表示蓄水量减少(mm 或 m３)从本质上说水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现也是地球上水循环能
够持续不断进行下去的基本前提水循环是地球上客观存在的自然现象水量平衡是水循环
内在的规律水量平衡方程式则是水循环的数学表达式
二通用水量平衡方程
基于水量平衡原理以地面的某个部分作为研究对象这部分地面具有湖泊沼泽等水体并交错许多进出水道沿这部分地面的边界想象做出一个垂直的柱体柱体底部为地面以下
某一深度的水平面并假设该水平面上下的水量不进行交换根据水量平衡原理可知在某一
定时段内进入该区域的水量减去该柱体流出的水量应当等于该柱体内的蓄水变化量该区域水量收入部分包括以下各项①时段内的降水量P②时段内的凝结量X指水分
蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由河流流入的径流量ΣR地面入 ④由地下流入的径
流量ΣR地下入 ⑤柱体内时段初始蓄水量W 初 该区域水量支出部分包括以下各项①水分蒸发量E②由河流流出的径流量 ΣR地面出
第一章 水循环与水资源 ９
时段内的凝结量 X指水分蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由地下流出的径流
ΣR地下出 ④柱体内时段末期蓄水量W 末 ⑤用水量Y由此可列出任意区域在任意时段的通用水量平衡方程式为
P＋X ＋sumR地面入 ＋sumR地下入 ＋W 初 ＝E＋sumR地面出 ＋sumR地下出 ＋W 末 ＋Y
(１Ｇ２)
三流域水量平衡方程
对于一个天然闭合流域其地面分水线与地下分水线一致(分水线概念见第２章)则不可
能有水从外流域经地表或地下流入故通用水量平衡方程中ΣR地面入 和ΣR地下入 均为０凝结
量X 并入降水中计算令流出的总水量为R即
R＝sumR地面出 ＋sumR地下出 (１Ｇ３)
则有
P＝E＋R＋Y＋ΔW (１Ｇ４)
式中Y 为流域内国民经济的用水量包括灌溉用水量工业用水量外区域引水量及其他用水
量其中灌溉耗水量消耗于蒸发可计入流域总蒸发E 之中另一部分工业净耗水量消耗于蒸
发一部分是产品带水消耗于蒸发也计入E 之中而带水产品数量则很小可略去不计所以
闭合流域给定时段的水量平衡方程可写为
P＝E＋R＋ΔW (１Ｇ５)
如果所取的计算时段为一年则上式为闭合流域年水量平衡方程ΔW 为年初与年终流域
蓄水量的变化量如ΔW＞０则表示年内的降水一部分消耗于径流和蒸发其余则储蓄在流域
之内ΔW＜０表示年内径流蒸发不仅来自降水还有一部分来自流域原有的蓄水量对于多年平均来说流域内蓄水量变化量的均值近似为零即ΔW＝０故闭合流域多年平
均水量平衡方程为
P－
＝E－＋R
－ (１Ｇ６)
式中P－为多年平均降水量(mm 或 m３)R
－为多年平均径流量(mm 或 m３)E
－为多年平均蒸发
量(mm 或 m３)可见对于闭合流域多年平均流域的降水量等于多年平均径流量与多年平均蒸发量之和
PER 是水量平衡中的三个基本要素已知其中任意两项据此即可推求第三项值对于非闭合流域或较小流域地面与地下分水线不一致有一部分水量以渗流方式流至外
流域这种情况式(１Ｇ６)不成立应改写为
P＝E＋R＋ΔRprime＋ΔW (１Ｇ７)
式中ΔRprime为流域间水量交换量(mm 或 m３)其余符号同前有时也可以以径流量蒸发量对降水量的相对值来反映流域的水文特性式(１Ｇ６)两边除
以P－可得
E－
P－ ＋
R－
P－ ＝１ (１Ｇ８)
令R－
P－ ＝α０
E－
P－ ＝β０
１０ 流域水文学
则 α０＋β０＝１ (１Ｇ９)式中α０ 为多年平均径流系数β０ 为多年平均蒸发系数
α０β０ 反映了一个地区的气候和下垫面特性对于湿润地区α０ 较大可大于０1049008５干旱地
区α０ 较小有的只有百分之几而β０ 正好相反
第三节 水 资 源
一水资源的内涵
水是宝贵的自然资源也是自然生态环境中最积极最活跃的因素同时水又是人类生存
和社会经济活动的基本条件其应用价值表现为水量水质及水能三个方面地球上的水资源广义来说是指水圈内所有水包括海洋河流湖泊沼泽冰川土壤
水地下水及大气水都是人类宝贵的财富但是对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰
川限于当前的经济技术条件目前大规模开发利用还有许多困难狭义的水资源不同于自然界的水体它仅仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利
用的那一部分动态水体这种开发利用不仅目前技术上可能而且经济上合理且对生态环
境可能造成的影响也是可接受的这种水资源主要指河流湖泊地下水和土壤水等淡水一些区域还包括微咸水
需要说明的是土壤水虽然不能直接用于工业城镇供水但它是植物生长必不可少的条
件可以直接被植物吸收所以土壤水也应属于水资源范畴至于大气降水它不仅是径流形
成的最重要因素也是淡水资源的最主要甚至唯一的补给来源
二水资源特性
狭义而言水资源主要指水循环周期内可以恢复再生的能为人类直接利用的淡水资源它具有如下特征
(１)水资源的可再生性水资源与其他固体资源的本质区别在于其流动性是在循环中
形成的一种动态资源水资源在开采利用后能够得到大气降水的补给处在不断地开采补给和消耗恢复的循环之中
(２)储量有限性水资源处在不断地消耗和补充过程中在某种意义上水资源具有ldquo取之
不尽rdquo的特点恢复性强但实际上淡水资源储量是十分有限的且淡水资源大部分储存在极
地冰帽和冰川中真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的０1049008００７６８从水
量动态平衡的观点来看某一期间的水量消耗量应接近于该期间的水量补给量否则将会破坏
水平衡造成一系列环境问题可见水资源过程是无限的水资源储量是有限的并非取之不
尽用之不竭(３)时空分布不均匀性水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布特征时空分布的
不均匀性是水资源的又一特性我国水资源在区域上分布极不均匀总体来说东南多西北
少沿海多内陆少山区多平原少在同一地区中不同时间分布差异性很大一般是夏多冬少(４)因果随机性自然界中可更新的水资源主要来源于大气降水和融雪水其循环转换
具有因果关系由于大气降水和融雪水在时空上存在随机性导致水资源转化过程中有随机
性如某一区域既有丰平枯三种年型又有连枯连丰情况一年当中还有枯水期和丰水期这种变化都是随机的具有一定统计规律
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三水文遥感 ８０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ８１104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第四章 流域产汇流计算 ８２104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 流域产流计算 ８２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一产流机制 ８２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二流域产流模式 ８８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三流域产流面积变化 ９０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四蓄满产流模式的产流计算 ９２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五超渗产流模式的产流计算 ９４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 流域汇流计算 ９７10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一概述 ９７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二单位线法 ９９10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三瞬时单位线 １０７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四地下径流汇流计算 １１３1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 １１４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第五章 水文分析计算 １１６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 水文频率计算 １１６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一经验频率曲线 １１６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二理论频率曲线 １２０104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三水文频率计算适线法 １２３104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 相关分析 １２７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一相关关系 １２８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二简单直线相关 １２９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三曲线选配 １３２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四复相关 １３３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 设计年径流计算 １３４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一概述 １３４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二具有长期径流资料时设计年径流的计算 １３６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三具有短期实测径流资料时设计年径流的计算 １４０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四无实测资料时设计年径流的计算 １４２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五设计年径流的时程分配 １４４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 流域设计洪水 １４６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一由流量资料推求设计洪水 １４６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二由暴雨资料推求设计洪水 １５８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三小流域设计洪水 １７２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 １８４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第六章 流域泥沙 １８７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 流域泥沙输移 １８７10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一流域产沙 １８７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二泥沙输移比概念 １９１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
vi 流域水文学
第二节 流域输沙量的估算 １９５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一泥沙资料整编 １９５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二悬移质多年平均输沙量的估算 １９６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三推移质多年平均输沙量的估算 １９８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四悬移质输沙量的年内分配 １９８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 泥沙淤积 １９８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一坝库淤积状态 １９８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二坝库淤积量的计算 １９９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三坝库淤积的控制 ２０２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２０３104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第七章 流域水文模型 ２０４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 概述 ２０４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 集总式水文模型 ２０７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水箱 (Tank)模型 ２０７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二新安江 (三水源)模型 ２１０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三SCS模型 ２１３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 分布式水文模型 ２１５1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一MIKESHE模型 ２１６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二SWAT模型 ２１９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三TOPMODEL模型 ２２２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 流域水文模型的应用 ２２６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水文计算 ２２６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水文预报 ２２６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三估计人类活动的影响 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四模型区域化mdashmdashmdash模型参数的地区综合 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五水质控制 ２２７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第八章 水土保持措施对径流泥沙的影响 ２２８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 影响径流泥沙的水土保持措施及蓄水保土机理 ２２８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一影响径流泥沙的水土保持措施 ２２８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持工程措施的蓄水保土机理 ２２８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三水土保持生物措施的蓄水保土机理 ２３０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四水土保持农业技术措施的蓄水保土机理 ２３１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 水土保持措施对径流的影响与估算 ２３４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持工程措施对径流的影响与估算 ２３４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持生物措施对径流的影响与估算 ２３５10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三水土保持农业技术措施对径流的影响与估算 ２３７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 水土保持措施对泥沙的影响与估算 ２４０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持工程措施对泥沙的影响与估算 ２４０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持生物措施对泥沙的影响与估算 ２４１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
目 录 vii
三水土保持农业技术措施对泥沙的影响与估算 ２４１1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 水土保持效益的观测与估算 ２４２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持效益观测 ２４２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持效益估算 ２４６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２４８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018参考文献 ２４９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018附表 ２５１104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
绪 论
一流域水文学研究的对象
地球上水的存在形式多种多样它总是以气态液态固态的形式存在于地球的表面地球
的大气层中和地球的土壤岩层中大气中的水汽地面上的江河湖沼海洋和地下水等统称
为水体水体是以一定形态存在于某一环境之中且具有独特的水文规律和水文特征的水气态固态液态的形式不断转化地表水大气水地下水之间不断进行变换和转移并在时
空分布上不断发生变化从而构成了复杂的水文现象水文学是研究地球上各种水体的形成运动过程分布规律及其相互联系和转化规律的科
学是在人类长期开发利用水资源并与水旱灾害作斗争的生产实践中通过观测实验和分析
计算深入研究各种水文现象及其规律而形成的一门学科流域作为一个封闭的地形单元溪流或河川排泄某一断面以上全部面积的径流流域也是一个水文单元流域水文学主要研究
一个流域内水体的形成运动过程分布规律及其相互转化相互联系规律的科学我国是一个多山的国家山地丘陵面积约占国土总面积的２３还是一个水土流失十分
严重的国家全国轻度侵蚀以上的水蚀面积为１７９万km２水土流失不仅给当地人民的生产
生活带来了极大影响而且由于泥沙输移下泄淤塞下游河道水库一遇洪水将给下游的工农
业生产乃至人民生命财产的安全造成严重威胁新中国成立以后党中央国务院对水土保持
工作十分重视为了充分发挥水土资源及其他自然资源的生态效益经济效益社会效益以流域为单元在全面规划的基础上合理安排农林牧副各业用地因地制宜地布设综合治理
措施对水土资源及其他自然资源进行保护改良和合理利用以流域为单元的水土流失治理
工作的发展促进了流域水文学的发展一个闭合小流域能较完整地反映从降雨引起的产流产沙及汇流输沙的全部过程针对流
域水文的研究有利于了解和掌握水的运动运行规律和各水文特征值的变化及其影响机制水土保持工作以小流域为单元进行综合治理有利于按照客观规律和自然特点合理地开
发利用水土资源有利于把治坡与治沟生物措施与工程措施长远利益与当前利益结合起来最大限度地提高土地利用率和劳动生产率从而加快了治理速度提高了经济效益和生态效
益小流域治理已成为我国治理水土流失的主要形式流域水文学是结合流域治理的需要逐渐形成和发展的一门应用技术即应用水文学知识于流域治理之中是一门合理开发利用各
种水资源进行流域治理的基础学科流域水文学正是基于水土保持工作发展和实践的需要并随着水文科学技术的进步及气
象学地貌学土壤学地质学山坡水文学农业水文学森林水文学土壤物理学等有关学科
的渗透而逐步发展形成的一门水文学的分支学科流域水文学是以闭合流域为模式以水分循环和水量平衡原理为理论基础河川径流形成
及流域产汇流理论从成因分析角度论述了流域水的运动运行规律水与环境条件之间的相互
依存相互制约的关系以及人类通过改变环境条件对径流的影响为小流域水土流失的治理
工作奠定理论基础水文分析计算包括了设计年径流多年平均年输沙量设计洪水和枯水径
流是小流域水土保持工程规划设计的重要依据通过水文计算合理地确定工程措施的规模
２ 流域水文学
和标准使工程既经济合理又安全可靠水土保持径流泥沙观测和流域泥沙输移是研究水
土流失规律及小流域综合治理效益不可缺少的内容它为学习者提供了研究方法和技能
二水文现象的特征
水文现象受气候和自然地理因素的综合影响而这些因素的组合和变化决定了水文规律时空分布变化上具有以下特点
１1049008时程上的周期性与随机性
所谓周期性是指水文现象的过程大致以某一时段为循环周期例如河流的水量变化在一年中有丰水期(汛期)和枯水期尽管各年的总水量有大有小但各年的丰枯交替过程是相
似的形成上述周期变化的原因主要是地球公转及自转地球和月球的相对运动以及太阳黑
子的周期性运动所导致的昼夜四季交替的影响所致水文现象的周期性不像数学上的周期函数那样各周期的变化过程和相应数值完全重复
的出现水文现象周期性只是表现在不同时期内其数量在时程上的变化趋势大致相似虽然河流每年均会出现汛期或枯水期但是每年汛期和枯水期出现的时间水量和过程通
常是不会完全重复的即每年汛期出现的时间和量值具有随机性各周期相应过程上的数值
及各种水文特征值具有偶然性例如一条河流在不同年份的流量过程虽然都有相似的丰
枯交替变化但不会完全相同这是因为影响水文现象的因素众多各因素本身在时间上也在
不断地变化并且相互作用相互制约对于具有随机性特点的各种水文特征值主要应用数
理统计和概论理论来研究其变化规律因此在时间上水文现象的周期性既是必然的又是偶然的有确定性的一面又有随机性
的一面
２1049008地区上的相似性与特殊性
水文现象在地区分布上既存在相似性又存在特殊性不同的流域如果所处的地理位置
(纬度距海远近等)相似由于纬度地带性的影响水文现象也就具有一定程度的相似性例
如我国南方湿润区的河流水量充沛年内分配较均匀含沙量较小而北方干旱地区的河流
则水量不足年内分配不均含沙量大地带相似性反映水文现象在空间变化上存在确定性的
一面有些流域虽然所处的地理位置和气候条件相似但流域的下垫面条件存在差异水文现象
就会有很大的差异水文变化规律在某些方面具有各自的特殊性这就是水文现象的特殊性如同一气候地区山区河流的洪水过程陡涨陡落洪水历时短而平原区河流的洪水过程涨落
平缓洪水历时长植被较好的流域洪水过程平缓径流年内分配均匀河流泥沙较少而植被
较差的流域则相反这种局部性的变化反映水文现象在空间变化上也存在不确定性的一面总的来说水文现象与其他自然现象一样无论在时间或空间上均同时存在确定性和不确
定性
三研究方法
１1049008水文学的研究特点
水文循环是自然界各种水体的存在条件和相互联系的纽带是水的各种运动变化形式的
总和是水文科学研究的主要对象和核心内容而在水文循环过程中水文现象所表现出的特
点决定了水文科学研究的特点
绪 论 ３
首先水文科学把各种水文现象作为一个整体并把它们同大气圈岩石圈生物圈和人
类活动对它们的影响结合起来进行研究例如在借助水量平衡方法研究某个流域的水量变
化时既要考虑流域周围大气中水汽输送也要考虑流域上空大气中水分含量的变化既要考
虑降水也要考虑蒸发既要考虑流域的地面径流也要考虑流域土壤含水量和流域内外地下
水的交换而且还要考虑流域内水利工程以及其他人类活动的影响其次水文科学主要根据已有的水文资料预测或预估水文情势未来状况直接为人类的
生活和生产服务例如提供洪水预报和各种水情预报对旱涝灾害的发生做出中长期预测为水利工程在未来运转时期中可能遇到的特大洪水做出概率预估等
同时水文科学主要靠建立的水文观测站网通过对自然界已发生的水文现象的观测进行
分析和研究各种水文实验除少数在实验室内进行以外主要是在自然界中如在实验流域
中进行
２1049008水文现象的研究方法
根据水文现象的基本特点按不同的目的和要求水文现象研究方法有３种
１)成因分析法 根据实测的水文资料对各种水文现象研究其发生和形成过程揭露
各物理环节间的内在联系建立水文现象各要素间的定性与定量关系即寻求各种水文现象的
成因规律这种方法称为成因分析法如对径流的成因研究一般是选择有代表性的实验流域通过对降雨蒸发下渗径流等
要素的观测研究由降雨到径流过程间各环节的物理机制定量转换规律从而得出降雨与径
流量之间以及降雨过程与径流过程之间的定量关系这在水文计算和水文预报中有重大的应
用价值成因分析法是建立在水文过程的物理基础之上比单纯用经验方法或统计方法要完善的
多但目前对某些水文现象的认识还不是很清楚特别是对水文过程各环节所有要素值不能全
部通过观测得到还缺乏合理的定量方法所以即使采用成因分析法仍不免把经验处理和统
计分析作为辅助手段
２)统计分析法 水文现象特征值的出现具有随机性如年径流量年降水量年最大洪
峰流量等均可视为随机变量对于长期的水文观测资料可利用数理统计方法求得水文特征
的统计规律从而对水文特征值做出超长期的概率预估为工程设计管理提供可靠依据还可
应用统计分析水文现象之间水文现象与其影响因素之间的相关分析据以建立经验相关关
系该方法广泛应用于水文分析计算水文预报之中
３)地理综合法 根据水文现象特征值具有地带性规律的特点可以对各测站水文要素
的特征值在消除其非地带性因素后绘制各种水文特征值的等值线图此等值线图可用来推
求无实测资料区域的特征值有时也可用各测站的水文特征值与所在流域的自然地理特征值
(如流域面积河道平均坡度等)之间建立地区经验公式推求无资料相似流域的水文特征值如甲乙两地区的气候和自然地理条件都相似水文现象也相似则可将甲地区的水文特征
值直接移用到乙地区这种方法通常称为水文比拟法也属于地理综合法地理综合法特别适用于无资料(资料不全)地区的各种水文计算和水资源评价另外在测
站布设时如果充分考虑水文现象的地带性规律的特点则可以用最少的测站观测到的资料去解决各种自然地理特点流域的水文计算问题
４ 流域水文学
四课程性质及教学目的要求
水土保持学科是以水土流失成因为基础以水土保持措施设计布局为手段实现防治水
土流失提高水土资源利用效率的目标最终达到建立良好生态环境目的的一门应用技术学
科laquo流域水文学raquo课程对学生理解土壤侵蚀过程径流泥沙测验和水土保持措施规划设计与
布设等均有重要作用故它一直是水土保持专业教学中的一门必修学科基础课针对水土
保持专业的laquo流域水文学raquo课程教学应重点培养学生具备扎实的水文学理论基础和基本应用
能力扎实的理论基础应包括水文学基本特点及研究方法水文循环河川径流的形成及其影响
因素以及产汇流基本理论等基本应用能力应包括水土保持水文信息收集产汇流计算设计
径流及设计洪水计算等laquo流域水文学raquo课程以坡面降雨径流侵蚀产沙和水土保持措施水文效应为主线要求学生
重点掌握坡面产流规律设计径流计算小流域设计洪水计算和水土保持径流泥沙观测等熟悉设计洪水的计算了解水土保持措施的水文效应基于以上几点教学内容本教材由下列４部分组成
(１)水文学基本原理部分主要阐述水文循环基本过程影响因素各要素的物理机制和
分析计算方法水量平衡原理及其应用以及水文循环的作用效应等(２)产汇流基本知识部分主要从成因分析角度阐述产流机制产流模式产流计算汇流
计算(３)设计径流计算部分主要从水文统计角度利用水文频率计算确定设计年径流量由
流量资料推求设计洪水和由降雨资料推求设计洪水的基本方法介绍小流域设计洪水方法(４)水土保持径流泥沙观测与估算部分主要介绍通过水土保持径流泥沙观测获取径流
泥沙资料的基本方法借助流域水文模型对水文规律进行模拟对未来一定时期的水文状态做
出定性和定量的预测分析水土保持措施对流域径流泥沙的影响
第一章 水循环与水资源
【内容提要】 自然界水体在太阳辐射作用下蒸发进入大气随气流输送输送中遇到适
当的条件形成降水部分形成径流以各种形式补给地球上的水体使得地球上的各类水资源
得以补充本章主要介绍水循环现象水量平衡原理和水资源基本概念
第一节 自然界的水循环
一地球上水的分布
水是地球上分布最为广泛的物质之一它以气态液态和固态三种形式存在于空气地表
与地下成为大气水海水和陆地水并和存在于所有动植物有机体内的生物水组成了一个
统一的相互联系的水圈地球上的水水平分布面积很广垂直分布则存在于大气圈生物圈岩石圈之中其水量
非常丰富约为１３1049008８６times１０８km３所以地球有ldquo水的行星rdquo之称(表１Ｇ１)
表１Ｇ１ 全球的水储量
水体水储量 咸水 淡水
１０３km３ １０３km３ １０３km３
海洋水 １３３８０００1049008０ ９６1049008５４ １３３８０００ ９９1049008０４ mdash mdash
冰川与永久雪盖 ２４０６４1049008１ １1049008７４ mdash mdash ２４０６４1049008１ ６８1049008７０
地下水 ２３４００1049008０ １1049008６９ １２８７０ ０1049008９５ １０５３０1049008０ ３０1049008０６
永冻土底冰 ３００1049008０ ０1049008０２ mdash mdash ３００1049008０ ０1049008８６
湖泊水 １７６1049008４ ０1049008０１３ ８５1049008４ ０1049008００６ ９１1049008０ ０1049008２６
土壤水 １６1049008５ ０1049008００１ mdash mdash １６1049008５ ０1049008０４７
大气水 １２1049008９ ０1049008０００９ mdash mdash １２1049008９ ０1049008０３７
沼泽水 １１1049008５ ０1049008０００８ mdash mdash １１1049008５ ０1049008０３３
河流水 ２1049008１２ ０1049008０００２ mdash mdash ２1049008１２ ０1049008００６
生物水 １1049008１２ ０1049008０００１ mdash mdash １1049008１２ ０1049008００３
总 计 １３８５９８４1049008６ １００ １３５０９５５1049008４ １００ ３５０２９1049008２ １００
资料来源贺伟程1049008１９９２1049008世界水资源水利1049008中国水利大百科全书1049008北京中国大百科全书出版社
海水世界上海洋的面积为３1049008６１times１０８km２占地球表面积的７１海水的体积为１1049008３４times１０８km３占地球总储水量的９６1049008５
地下水地下水通常是指储存在地壳含水层中的重力水总储量为２1049008３４times１０７km３其中
地下淡水的储量为１1049008０５times１０７km３土壤水土壤水是指储存于地表最上部约２m 厚土层内的水当土层的平均湿度为
１０相当于含水深度为０1049008２m如果以陆地上土层覆盖总面积８２００万km２ 计算那么土壤水
的储量为１1049008６５times１０６km３
６ 流域水文学
冰雪水陆地上现代冰川的总面积超过１1049008６times１０７km２总体积为２1049008７times１０７km３若以冰的
密度９００kgm３ 计算折合成液态水约为２1049008４times１０７km３为地表河流湖泊总储水量的１２７倍湖泊水世界上大小湖泊多达数百万个全球湖泊水总储量为１1049008７６times１０７km３其中淡水储
量０1049008９１times１０７km３沼泽水沼泽水是一种特殊的水体没有开阔的水域只是陆地上层土壤中含有大量停滞
水分的过湿地段地球上沼泽的总面积约为２1049008６８times１０６km２总储水量约为１1049008１５times１０４km３河流水由于河水不停地流动全世界河床静储水量为２１２０km３占地球上总储水量
的０1049008０００２生物水生物水是指生物有机体中所含的水分据计算全球生物水的总量为１１２０km３
占地球总储水量的０1049008０００１大气水地表之上大气中的水汽来自地球表面各种水体水面的蒸发土壤蒸发及植物散
发并借助空气的垂直交换向上输送一般说来空气中的水汽含量随高度的增大而减少大
气水在７km 以内总量约有１２９００km３折合成水深约为２５mm仅占地球总水量的０1049008００１虽然数量不多但活动能力却很强是云雨雪雹霰雷闪电的根源
二水循环现象
(一)水循环基本过程
水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射地心引力等作用下通过蒸发水汽输送凝结降水下渗以及径流等环节不断地发生相态转换和周而复始运动的过程
从全球整体角度来说水循环过程可以设想从海洋的蒸发开始蒸发的水汽升入空中并被气流输送至各地其中大部分留在海洋上空少部分深入内陆在适当条件下这些水汽凝
结成为降水海面上的降水直接回归海洋而降落到陆地表面的雨雪除重新蒸发升入空中的
水汽外一部分成为地面径流补给江河湖泊另一部分渗入岩土层中转化为壤中流与地下径
流地面径流壤中流与地下径流最后也流入海洋构成全球性统一的连续有序的动态大
系统水循环广及整个水圈并深入大气圈岩石圈及生物圈其循环路径并非单一的而是通
过无数条路线实现循环和相变的所以水循环系统是由无数不同尺度不同规模的局部水循环
所组合而成的复杂系统图１Ｇ１为全球海陆间水循环过程的概化图整个过程可分解为水汽蒸发水汽输送凝结
降水水分入渗地表和地下径流等五个基本环节这五个环节既相互联系相互影响又交错
并存相对独立并在不同的环境条件下呈现不同的组合在全球各地形成一系列不同规模的
地区水循环
(二)水循环机理
地球上的水分在交替循环过程中总是溶解并携带着某些物质一起运动如溶于水中的各
种化学元素气体以及泥沙等固体杂质等不过这些物质不可能像水分那样构成完整的循环
系统所以通常意义上的水文循环仅指水分循环简称水循环太阳辐射与重力作用是水循环的基本动力此动力不消失水循环将永恒存在水的物理
性质在常温常压条件下液态气态固态三相变化的特性是水循环的前提条件外部环境包括
第一章 水循环与水资源 ７
图１Ｇ１ 水循环示意图(图中数字为水循环各环节转化量单位为１０４km３)
地理纬度海陆分布地貌形态等则制约了水循环的路径规模与强度水循环遵循质量守恒定律整个循环过程保持着连续性从实质上说水循环是物质与能量
的传输储存和转化过程而且存在于每一环节在蒸发环节中伴随液态水转化为气态水的是
热能的消耗伴随着凝结降水的是潜热的释放所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过
程据测算全球海陆日平均蒸发量为１1049008５８times１０１３m３是长江全年入海径流量的１1049008６倍蒸发这
些水汽的总耗热量高达３1049008８７８times１０２１J如折合电能为１０1049008７７times１０１４kW1048944h所以地面潜热交换成为
大气热量的主要来源由降水转化为地面与地下径流的过程则是势能转化为动能的过程这
些动能成为水流的动力消耗于沿途的冲刷搬运和堆积作用直到注入海洋才消耗殆尽
(三)流域水循环
在全球尺度上水循环是一个闭合的系统但是就流域的角度看水循环则是多个环节有
机耦合并外部开放的巨系统对于流域大气系统系统输入为流域外水汽输入系统输出为流
域内水汽输出蓄变量为流域大气水汽蓄变量对于流域地面系统而言系统输入为流域降水非闭合流域还有流域外地表水和地下水入流系统输出为流域内径流和蒸发蓄变量为流域地
表水蓄变量对于流域土壤系统而言系统输入为流域土壤入渗系统输出为流域土壤蒸发植被散发地下水上升蒸发土壤渗入地下水的补给和壤中出流蓄变量为流域土壤水蓄变量对于流域地下水系统而言系统输入为土壤渗入地下水的降水补给河渠水的渗入地表蓄水渗
漏越流补给灌溉回归水补给非闭合流域侧渗和区外含水层流入系统输出为地下水上升蒸
发地下水河道排泄地下出流和越流排泄蓄变量为流域地下水蓄变量流域水循环作为水循环特定空间范围内的一种具体实现是由一系列微观尺度的水循环过
程嵌套而成的同时作为陆地水循环和全球水循环的一个组成部分流域水循环及其演变过程
又受控于全球水循环的一般形势但是就流域水循环的结构看则大多表现为一个多层嵌套的
级联系统总体上看流域水循环包括降水蒸发下渗以及从上游到下游的产汇流过程但对
流域的局部地区(如支流或蓄水体)而言同时也是一个包含上述各水循环过程的开放系统
８ 流域水文学
三影响水循环的因素
影响水循环的因素很多一般可归纳为四大类气象因素如温度湿度风速风向等自然地理条件如地形地貌地质构造土壤和植被情况等人类活动包括各种水利措施农业措
施和水土保持措施等地理位置在这四类因素中气象因素是主要的起主导作用的因为在水循环的四个环节中有三个
(蒸发水汽输送降水)环节取决于气象条件径流虽受地形地貌地质构造土壤和植被等下
垫面条件的影响但径流的形成及其时空变化在很大程度上仍取决于气象条件自然地理条
件主要是通过蒸发和径流来影响水分循环有利于蒸发的地区水循环活跃而有利于径流的
地区则不利于水分循环人类活动对水分循环的影响主要表现在调节径流影响蒸发和降
水等水分循环环节上总之人类活动是通过改变下垫面条件来影响水分循环各环节的
第二节 水 量 平 衡
一水量平衡原理
水量平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体体现也是水循环得以存在的基础根据
物质不灭定律在水循环过程中对于任意选择的区域(或水体)在任意时段内其收入水量与
支出水量之间的差额等于该时段区域(或水体)内蓄水量的变化量即水在循环过程中从总体
上保持收支平衡水量平衡是研究水文现象的基本方法通过水量平衡可对水循环建立定量概念从而了解
各循环要素之间的定量关系水量平衡的基本方程为
I－O＝W２－W１＝ΔW (１Ｇ１)
式中I为给定时段内输入区域(或水体)的水量(mm 或 m３)O 为给定时段内输出区域(或水
体)的水量(mm 或 m３)W１W２ 为给定时段始末区域(或水体)的蓄水量(mm 或 m３)ΔW 为
时段内蓄水量的变化量ΔW＞０表示区域蓄水量增加ΔW＜０表示蓄水量减少(mm 或 m３)从本质上说水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现也是地球上水循环能
够持续不断进行下去的基本前提水循环是地球上客观存在的自然现象水量平衡是水循环
内在的规律水量平衡方程式则是水循环的数学表达式
二通用水量平衡方程
基于水量平衡原理以地面的某个部分作为研究对象这部分地面具有湖泊沼泽等水体并交错许多进出水道沿这部分地面的边界想象做出一个垂直的柱体柱体底部为地面以下
某一深度的水平面并假设该水平面上下的水量不进行交换根据水量平衡原理可知在某一
定时段内进入该区域的水量减去该柱体流出的水量应当等于该柱体内的蓄水变化量该区域水量收入部分包括以下各项①时段内的降水量P②时段内的凝结量X指水分
蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由河流流入的径流量ΣR地面入 ④由地下流入的径
流量ΣR地下入 ⑤柱体内时段初始蓄水量W 初 该区域水量支出部分包括以下各项①水分蒸发量E②由河流流出的径流量 ΣR地面出
第一章 水循环与水资源 ９
时段内的凝结量 X指水分蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由地下流出的径流
ΣR地下出 ④柱体内时段末期蓄水量W 末 ⑤用水量Y由此可列出任意区域在任意时段的通用水量平衡方程式为
P＋X ＋sumR地面入 ＋sumR地下入 ＋W 初 ＝E＋sumR地面出 ＋sumR地下出 ＋W 末 ＋Y
(１Ｇ２)
三流域水量平衡方程
对于一个天然闭合流域其地面分水线与地下分水线一致(分水线概念见第２章)则不可
能有水从外流域经地表或地下流入故通用水量平衡方程中ΣR地面入 和ΣR地下入 均为０凝结
量X 并入降水中计算令流出的总水量为R即
R＝sumR地面出 ＋sumR地下出 (１Ｇ３)
则有
P＝E＋R＋Y＋ΔW (１Ｇ４)
式中Y 为流域内国民经济的用水量包括灌溉用水量工业用水量外区域引水量及其他用水
量其中灌溉耗水量消耗于蒸发可计入流域总蒸发E 之中另一部分工业净耗水量消耗于蒸
发一部分是产品带水消耗于蒸发也计入E 之中而带水产品数量则很小可略去不计所以
闭合流域给定时段的水量平衡方程可写为
P＝E＋R＋ΔW (１Ｇ５)
如果所取的计算时段为一年则上式为闭合流域年水量平衡方程ΔW 为年初与年终流域
蓄水量的变化量如ΔW＞０则表示年内的降水一部分消耗于径流和蒸发其余则储蓄在流域
之内ΔW＜０表示年内径流蒸发不仅来自降水还有一部分来自流域原有的蓄水量对于多年平均来说流域内蓄水量变化量的均值近似为零即ΔW＝０故闭合流域多年平
均水量平衡方程为
P－
＝E－＋R
－ (１Ｇ６)
式中P－为多年平均降水量(mm 或 m３)R
－为多年平均径流量(mm 或 m３)E
－为多年平均蒸发
量(mm 或 m３)可见对于闭合流域多年平均流域的降水量等于多年平均径流量与多年平均蒸发量之和
PER 是水量平衡中的三个基本要素已知其中任意两项据此即可推求第三项值对于非闭合流域或较小流域地面与地下分水线不一致有一部分水量以渗流方式流至外
流域这种情况式(１Ｇ６)不成立应改写为
P＝E＋R＋ΔRprime＋ΔW (１Ｇ７)
式中ΔRprime为流域间水量交换量(mm 或 m３)其余符号同前有时也可以以径流量蒸发量对降水量的相对值来反映流域的水文特性式(１Ｇ６)两边除
以P－可得
E－
P－ ＋
R－
P－ ＝１ (１Ｇ８)
令R－
P－ ＝α０
E－
P－ ＝β０
１０ 流域水文学
则 α０＋β０＝１ (１Ｇ９)式中α０ 为多年平均径流系数β０ 为多年平均蒸发系数
α０β０ 反映了一个地区的气候和下垫面特性对于湿润地区α０ 较大可大于０1049008５干旱地
区α０ 较小有的只有百分之几而β０ 正好相反
第三节 水 资 源
一水资源的内涵
水是宝贵的自然资源也是自然生态环境中最积极最活跃的因素同时水又是人类生存
和社会经济活动的基本条件其应用价值表现为水量水质及水能三个方面地球上的水资源广义来说是指水圈内所有水包括海洋河流湖泊沼泽冰川土壤
水地下水及大气水都是人类宝贵的财富但是对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰
川限于当前的经济技术条件目前大规模开发利用还有许多困难狭义的水资源不同于自然界的水体它仅仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利
用的那一部分动态水体这种开发利用不仅目前技术上可能而且经济上合理且对生态环
境可能造成的影响也是可接受的这种水资源主要指河流湖泊地下水和土壤水等淡水一些区域还包括微咸水
需要说明的是土壤水虽然不能直接用于工业城镇供水但它是植物生长必不可少的条
件可以直接被植物吸收所以土壤水也应属于水资源范畴至于大气降水它不仅是径流形
成的最重要因素也是淡水资源的最主要甚至唯一的补给来源
二水资源特性
狭义而言水资源主要指水循环周期内可以恢复再生的能为人类直接利用的淡水资源它具有如下特征
(１)水资源的可再生性水资源与其他固体资源的本质区别在于其流动性是在循环中
形成的一种动态资源水资源在开采利用后能够得到大气降水的补给处在不断地开采补给和消耗恢复的循环之中
(２)储量有限性水资源处在不断地消耗和补充过程中在某种意义上水资源具有ldquo取之
不尽rdquo的特点恢复性强但实际上淡水资源储量是十分有限的且淡水资源大部分储存在极
地冰帽和冰川中真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的０1049008００７６８从水
量动态平衡的观点来看某一期间的水量消耗量应接近于该期间的水量补给量否则将会破坏
水平衡造成一系列环境问题可见水资源过程是无限的水资源储量是有限的并非取之不
尽用之不竭(３)时空分布不均匀性水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布特征时空分布的
不均匀性是水资源的又一特性我国水资源在区域上分布极不均匀总体来说东南多西北
少沿海多内陆少山区多平原少在同一地区中不同时间分布差异性很大一般是夏多冬少(４)因果随机性自然界中可更新的水资源主要来源于大气降水和融雪水其循环转换
具有因果关系由于大气降水和融雪水在时空上存在随机性导致水资源转化过程中有随机
性如某一区域既有丰平枯三种年型又有连枯连丰情况一年当中还有枯水期和丰水期这种变化都是随机的具有一定统计规律
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vi 流域水文学
第二节 流域输沙量的估算 １９５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一泥沙资料整编 １９５104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二悬移质多年平均输沙量的估算 １９６104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三推移质多年平均输沙量的估算 １９８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四悬移质输沙量的年内分配 １９８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 泥沙淤积 １９８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一坝库淤积状态 １９８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二坝库淤积量的计算 １９９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三坝库淤积的控制 ２０２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２０３104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第七章 流域水文模型 ２０４1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 概述 ２０４104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 集总式水文模型 ２０７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水箱 (Tank)模型 ２０７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二新安江 (三水源)模型 ２１０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三SCS模型 ２１３10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 分布式水文模型 ２１５1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一MIKESHE模型 ２１６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二SWAT模型 ２１９104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三TOPMODEL模型 ２２２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 流域水文模型的应用 ２２６10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水文计算 ２２６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水文预报 ２２６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三估计人类活动的影响 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四模型区域化mdashmdashmdash模型参数的地区综合 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
五水质控制 ２２７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２２７104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018第八章 水土保持措施对径流泥沙的影响 ２２８10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第一节 影响径流泥沙的水土保持措施及蓄水保土机理 ２２８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一影响径流泥沙的水土保持措施 ２２８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持工程措施的蓄水保土机理 ２２８1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三水土保持生物措施的蓄水保土机理 ２３０1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
四水土保持农业技术措施的蓄水保土机理 ２３１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第二节 水土保持措施对径流的影响与估算 ２３４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持工程措施对径流的影响与估算 ２３４10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持生物措施对径流的影响与估算 ２３５10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
三水土保持农业技术措施对径流的影响与估算 ２３７1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第三节 水土保持措施对泥沙的影响与估算 ２４０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持工程措施对泥沙的影响与估算 ２４０10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持生物措施对泥沙的影响与估算 ２４１10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
目 录 vii
三水土保持农业技术措施对泥沙的影响与估算 ２４１1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 水土保持效益的观测与估算 ２４２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持效益观测 ２４２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持效益估算 ２４６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２４８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018参考文献 ２４９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018附表 ２５１104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
绪 论
一流域水文学研究的对象
地球上水的存在形式多种多样它总是以气态液态固态的形式存在于地球的表面地球
的大气层中和地球的土壤岩层中大气中的水汽地面上的江河湖沼海洋和地下水等统称
为水体水体是以一定形态存在于某一环境之中且具有独特的水文规律和水文特征的水气态固态液态的形式不断转化地表水大气水地下水之间不断进行变换和转移并在时
空分布上不断发生变化从而构成了复杂的水文现象水文学是研究地球上各种水体的形成运动过程分布规律及其相互联系和转化规律的科
学是在人类长期开发利用水资源并与水旱灾害作斗争的生产实践中通过观测实验和分析
计算深入研究各种水文现象及其规律而形成的一门学科流域作为一个封闭的地形单元溪流或河川排泄某一断面以上全部面积的径流流域也是一个水文单元流域水文学主要研究
一个流域内水体的形成运动过程分布规律及其相互转化相互联系规律的科学我国是一个多山的国家山地丘陵面积约占国土总面积的２３还是一个水土流失十分
严重的国家全国轻度侵蚀以上的水蚀面积为１７９万km２水土流失不仅给当地人民的生产
生活带来了极大影响而且由于泥沙输移下泄淤塞下游河道水库一遇洪水将给下游的工农
业生产乃至人民生命财产的安全造成严重威胁新中国成立以后党中央国务院对水土保持
工作十分重视为了充分发挥水土资源及其他自然资源的生态效益经济效益社会效益以流域为单元在全面规划的基础上合理安排农林牧副各业用地因地制宜地布设综合治理
措施对水土资源及其他自然资源进行保护改良和合理利用以流域为单元的水土流失治理
工作的发展促进了流域水文学的发展一个闭合小流域能较完整地反映从降雨引起的产流产沙及汇流输沙的全部过程针对流
域水文的研究有利于了解和掌握水的运动运行规律和各水文特征值的变化及其影响机制水土保持工作以小流域为单元进行综合治理有利于按照客观规律和自然特点合理地开
发利用水土资源有利于把治坡与治沟生物措施与工程措施长远利益与当前利益结合起来最大限度地提高土地利用率和劳动生产率从而加快了治理速度提高了经济效益和生态效
益小流域治理已成为我国治理水土流失的主要形式流域水文学是结合流域治理的需要逐渐形成和发展的一门应用技术即应用水文学知识于流域治理之中是一门合理开发利用各
种水资源进行流域治理的基础学科流域水文学正是基于水土保持工作发展和实践的需要并随着水文科学技术的进步及气
象学地貌学土壤学地质学山坡水文学农业水文学森林水文学土壤物理学等有关学科
的渗透而逐步发展形成的一门水文学的分支学科流域水文学是以闭合流域为模式以水分循环和水量平衡原理为理论基础河川径流形成
及流域产汇流理论从成因分析角度论述了流域水的运动运行规律水与环境条件之间的相互
依存相互制约的关系以及人类通过改变环境条件对径流的影响为小流域水土流失的治理
工作奠定理论基础水文分析计算包括了设计年径流多年平均年输沙量设计洪水和枯水径
流是小流域水土保持工程规划设计的重要依据通过水文计算合理地确定工程措施的规模
２ 流域水文学
和标准使工程既经济合理又安全可靠水土保持径流泥沙观测和流域泥沙输移是研究水
土流失规律及小流域综合治理效益不可缺少的内容它为学习者提供了研究方法和技能
二水文现象的特征
水文现象受气候和自然地理因素的综合影响而这些因素的组合和变化决定了水文规律时空分布变化上具有以下特点
１1049008时程上的周期性与随机性
所谓周期性是指水文现象的过程大致以某一时段为循环周期例如河流的水量变化在一年中有丰水期(汛期)和枯水期尽管各年的总水量有大有小但各年的丰枯交替过程是相
似的形成上述周期变化的原因主要是地球公转及自转地球和月球的相对运动以及太阳黑
子的周期性运动所导致的昼夜四季交替的影响所致水文现象的周期性不像数学上的周期函数那样各周期的变化过程和相应数值完全重复
的出现水文现象周期性只是表现在不同时期内其数量在时程上的变化趋势大致相似虽然河流每年均会出现汛期或枯水期但是每年汛期和枯水期出现的时间水量和过程通
常是不会完全重复的即每年汛期出现的时间和量值具有随机性各周期相应过程上的数值
及各种水文特征值具有偶然性例如一条河流在不同年份的流量过程虽然都有相似的丰
枯交替变化但不会完全相同这是因为影响水文现象的因素众多各因素本身在时间上也在
不断地变化并且相互作用相互制约对于具有随机性特点的各种水文特征值主要应用数
理统计和概论理论来研究其变化规律因此在时间上水文现象的周期性既是必然的又是偶然的有确定性的一面又有随机性
的一面
２1049008地区上的相似性与特殊性
水文现象在地区分布上既存在相似性又存在特殊性不同的流域如果所处的地理位置
(纬度距海远近等)相似由于纬度地带性的影响水文现象也就具有一定程度的相似性例
如我国南方湿润区的河流水量充沛年内分配较均匀含沙量较小而北方干旱地区的河流
则水量不足年内分配不均含沙量大地带相似性反映水文现象在空间变化上存在确定性的
一面有些流域虽然所处的地理位置和气候条件相似但流域的下垫面条件存在差异水文现象
就会有很大的差异水文变化规律在某些方面具有各自的特殊性这就是水文现象的特殊性如同一气候地区山区河流的洪水过程陡涨陡落洪水历时短而平原区河流的洪水过程涨落
平缓洪水历时长植被较好的流域洪水过程平缓径流年内分配均匀河流泥沙较少而植被
较差的流域则相反这种局部性的变化反映水文现象在空间变化上也存在不确定性的一面总的来说水文现象与其他自然现象一样无论在时间或空间上均同时存在确定性和不确
定性
三研究方法
１1049008水文学的研究特点
水文循环是自然界各种水体的存在条件和相互联系的纽带是水的各种运动变化形式的
总和是水文科学研究的主要对象和核心内容而在水文循环过程中水文现象所表现出的特
点决定了水文科学研究的特点
绪 论 ３
首先水文科学把各种水文现象作为一个整体并把它们同大气圈岩石圈生物圈和人
类活动对它们的影响结合起来进行研究例如在借助水量平衡方法研究某个流域的水量变
化时既要考虑流域周围大气中水汽输送也要考虑流域上空大气中水分含量的变化既要考
虑降水也要考虑蒸发既要考虑流域的地面径流也要考虑流域土壤含水量和流域内外地下
水的交换而且还要考虑流域内水利工程以及其他人类活动的影响其次水文科学主要根据已有的水文资料预测或预估水文情势未来状况直接为人类的
生活和生产服务例如提供洪水预报和各种水情预报对旱涝灾害的发生做出中长期预测为水利工程在未来运转时期中可能遇到的特大洪水做出概率预估等
同时水文科学主要靠建立的水文观测站网通过对自然界已发生的水文现象的观测进行
分析和研究各种水文实验除少数在实验室内进行以外主要是在自然界中如在实验流域
中进行
２1049008水文现象的研究方法
根据水文现象的基本特点按不同的目的和要求水文现象研究方法有３种
１)成因分析法 根据实测的水文资料对各种水文现象研究其发生和形成过程揭露
各物理环节间的内在联系建立水文现象各要素间的定性与定量关系即寻求各种水文现象的
成因规律这种方法称为成因分析法如对径流的成因研究一般是选择有代表性的实验流域通过对降雨蒸发下渗径流等
要素的观测研究由降雨到径流过程间各环节的物理机制定量转换规律从而得出降雨与径
流量之间以及降雨过程与径流过程之间的定量关系这在水文计算和水文预报中有重大的应
用价值成因分析法是建立在水文过程的物理基础之上比单纯用经验方法或统计方法要完善的
多但目前对某些水文现象的认识还不是很清楚特别是对水文过程各环节所有要素值不能全
部通过观测得到还缺乏合理的定量方法所以即使采用成因分析法仍不免把经验处理和统
计分析作为辅助手段
２)统计分析法 水文现象特征值的出现具有随机性如年径流量年降水量年最大洪
峰流量等均可视为随机变量对于长期的水文观测资料可利用数理统计方法求得水文特征
的统计规律从而对水文特征值做出超长期的概率预估为工程设计管理提供可靠依据还可
应用统计分析水文现象之间水文现象与其影响因素之间的相关分析据以建立经验相关关
系该方法广泛应用于水文分析计算水文预报之中
３)地理综合法 根据水文现象特征值具有地带性规律的特点可以对各测站水文要素
的特征值在消除其非地带性因素后绘制各种水文特征值的等值线图此等值线图可用来推
求无实测资料区域的特征值有时也可用各测站的水文特征值与所在流域的自然地理特征值
(如流域面积河道平均坡度等)之间建立地区经验公式推求无资料相似流域的水文特征值如甲乙两地区的气候和自然地理条件都相似水文现象也相似则可将甲地区的水文特征
值直接移用到乙地区这种方法通常称为水文比拟法也属于地理综合法地理综合法特别适用于无资料(资料不全)地区的各种水文计算和水资源评价另外在测
站布设时如果充分考虑水文现象的地带性规律的特点则可以用最少的测站观测到的资料去解决各种自然地理特点流域的水文计算问题
４ 流域水文学
四课程性质及教学目的要求
水土保持学科是以水土流失成因为基础以水土保持措施设计布局为手段实现防治水
土流失提高水土资源利用效率的目标最终达到建立良好生态环境目的的一门应用技术学
科laquo流域水文学raquo课程对学生理解土壤侵蚀过程径流泥沙测验和水土保持措施规划设计与
布设等均有重要作用故它一直是水土保持专业教学中的一门必修学科基础课针对水土
保持专业的laquo流域水文学raquo课程教学应重点培养学生具备扎实的水文学理论基础和基本应用
能力扎实的理论基础应包括水文学基本特点及研究方法水文循环河川径流的形成及其影响
因素以及产汇流基本理论等基本应用能力应包括水土保持水文信息收集产汇流计算设计
径流及设计洪水计算等laquo流域水文学raquo课程以坡面降雨径流侵蚀产沙和水土保持措施水文效应为主线要求学生
重点掌握坡面产流规律设计径流计算小流域设计洪水计算和水土保持径流泥沙观测等熟悉设计洪水的计算了解水土保持措施的水文效应基于以上几点教学内容本教材由下列４部分组成
(１)水文学基本原理部分主要阐述水文循环基本过程影响因素各要素的物理机制和
分析计算方法水量平衡原理及其应用以及水文循环的作用效应等(２)产汇流基本知识部分主要从成因分析角度阐述产流机制产流模式产流计算汇流
计算(３)设计径流计算部分主要从水文统计角度利用水文频率计算确定设计年径流量由
流量资料推求设计洪水和由降雨资料推求设计洪水的基本方法介绍小流域设计洪水方法(４)水土保持径流泥沙观测与估算部分主要介绍通过水土保持径流泥沙观测获取径流
泥沙资料的基本方法借助流域水文模型对水文规律进行模拟对未来一定时期的水文状态做
出定性和定量的预测分析水土保持措施对流域径流泥沙的影响
第一章 水循环与水资源
【内容提要】 自然界水体在太阳辐射作用下蒸发进入大气随气流输送输送中遇到适
当的条件形成降水部分形成径流以各种形式补给地球上的水体使得地球上的各类水资源
得以补充本章主要介绍水循环现象水量平衡原理和水资源基本概念
第一节 自然界的水循环
一地球上水的分布
水是地球上分布最为广泛的物质之一它以气态液态和固态三种形式存在于空气地表
与地下成为大气水海水和陆地水并和存在于所有动植物有机体内的生物水组成了一个
统一的相互联系的水圈地球上的水水平分布面积很广垂直分布则存在于大气圈生物圈岩石圈之中其水量
非常丰富约为１３1049008８６times１０８km３所以地球有ldquo水的行星rdquo之称(表１Ｇ１)
表１Ｇ１ 全球的水储量
水体水储量 咸水 淡水
１０３km３ １０３km３ １０３km３
海洋水 １３３８０００1049008０ ９６1049008５４ １３３８０００ ９９1049008０４ mdash mdash
冰川与永久雪盖 ２４０６４1049008１ １1049008７４ mdash mdash ２４０６４1049008１ ６８1049008７０
地下水 ２３４００1049008０ １1049008６９ １２８７０ ０1049008９５ １０５３０1049008０ ３０1049008０６
永冻土底冰 ３００1049008０ ０1049008０２ mdash mdash ３００1049008０ ０1049008８６
湖泊水 １７６1049008４ ０1049008０１３ ８５1049008４ ０1049008００６ ９１1049008０ ０1049008２６
土壤水 １６1049008５ ０1049008００１ mdash mdash １６1049008５ ０1049008０４７
大气水 １２1049008９ ０1049008０００９ mdash mdash １２1049008９ ０1049008０３７
沼泽水 １１1049008５ ０1049008０００８ mdash mdash １１1049008５ ０1049008０３３
河流水 ２1049008１２ ０1049008０００２ mdash mdash ２1049008１２ ０1049008００６
生物水 １1049008１２ ０1049008０００１ mdash mdash １1049008１２ ０1049008００３
总 计 １３８５９８４1049008６ １００ １３５０９５５1049008４ １００ ３５０２９1049008２ １００
资料来源贺伟程1049008１９９２1049008世界水资源水利1049008中国水利大百科全书1049008北京中国大百科全书出版社
海水世界上海洋的面积为３1049008６１times１０８km２占地球表面积的７１海水的体积为１1049008３４times１０８km３占地球总储水量的９６1049008５
地下水地下水通常是指储存在地壳含水层中的重力水总储量为２1049008３４times１０７km３其中
地下淡水的储量为１1049008０５times１０７km３土壤水土壤水是指储存于地表最上部约２m 厚土层内的水当土层的平均湿度为
１０相当于含水深度为０1049008２m如果以陆地上土层覆盖总面积８２００万km２ 计算那么土壤水
的储量为１1049008６５times１０６km３
６ 流域水文学
冰雪水陆地上现代冰川的总面积超过１1049008６times１０７km２总体积为２1049008７times１０７km３若以冰的
密度９００kgm３ 计算折合成液态水约为２1049008４times１０７km３为地表河流湖泊总储水量的１２７倍湖泊水世界上大小湖泊多达数百万个全球湖泊水总储量为１1049008７６times１０７km３其中淡水储
量０1049008９１times１０７km３沼泽水沼泽水是一种特殊的水体没有开阔的水域只是陆地上层土壤中含有大量停滞
水分的过湿地段地球上沼泽的总面积约为２1049008６８times１０６km２总储水量约为１1049008１５times１０４km３河流水由于河水不停地流动全世界河床静储水量为２１２０km３占地球上总储水量
的０1049008０００２生物水生物水是指生物有机体中所含的水分据计算全球生物水的总量为１１２０km３
占地球总储水量的０1049008０００１大气水地表之上大气中的水汽来自地球表面各种水体水面的蒸发土壤蒸发及植物散
发并借助空气的垂直交换向上输送一般说来空气中的水汽含量随高度的增大而减少大
气水在７km 以内总量约有１２９００km３折合成水深约为２５mm仅占地球总水量的０1049008００１虽然数量不多但活动能力却很强是云雨雪雹霰雷闪电的根源
二水循环现象
(一)水循环基本过程
水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射地心引力等作用下通过蒸发水汽输送凝结降水下渗以及径流等环节不断地发生相态转换和周而复始运动的过程
从全球整体角度来说水循环过程可以设想从海洋的蒸发开始蒸发的水汽升入空中并被气流输送至各地其中大部分留在海洋上空少部分深入内陆在适当条件下这些水汽凝
结成为降水海面上的降水直接回归海洋而降落到陆地表面的雨雪除重新蒸发升入空中的
水汽外一部分成为地面径流补给江河湖泊另一部分渗入岩土层中转化为壤中流与地下径
流地面径流壤中流与地下径流最后也流入海洋构成全球性统一的连续有序的动态大
系统水循环广及整个水圈并深入大气圈岩石圈及生物圈其循环路径并非单一的而是通
过无数条路线实现循环和相变的所以水循环系统是由无数不同尺度不同规模的局部水循环
所组合而成的复杂系统图１Ｇ１为全球海陆间水循环过程的概化图整个过程可分解为水汽蒸发水汽输送凝结
降水水分入渗地表和地下径流等五个基本环节这五个环节既相互联系相互影响又交错
并存相对独立并在不同的环境条件下呈现不同的组合在全球各地形成一系列不同规模的
地区水循环
(二)水循环机理
地球上的水分在交替循环过程中总是溶解并携带着某些物质一起运动如溶于水中的各
种化学元素气体以及泥沙等固体杂质等不过这些物质不可能像水分那样构成完整的循环
系统所以通常意义上的水文循环仅指水分循环简称水循环太阳辐射与重力作用是水循环的基本动力此动力不消失水循环将永恒存在水的物理
性质在常温常压条件下液态气态固态三相变化的特性是水循环的前提条件外部环境包括
第一章 水循环与水资源 ７
图１Ｇ１ 水循环示意图(图中数字为水循环各环节转化量单位为１０４km３)
地理纬度海陆分布地貌形态等则制约了水循环的路径规模与强度水循环遵循质量守恒定律整个循环过程保持着连续性从实质上说水循环是物质与能量
的传输储存和转化过程而且存在于每一环节在蒸发环节中伴随液态水转化为气态水的是
热能的消耗伴随着凝结降水的是潜热的释放所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过
程据测算全球海陆日平均蒸发量为１1049008５８times１０１３m３是长江全年入海径流量的１1049008６倍蒸发这
些水汽的总耗热量高达３1049008８７８times１０２１J如折合电能为１０1049008７７times１０１４kW1048944h所以地面潜热交换成为
大气热量的主要来源由降水转化为地面与地下径流的过程则是势能转化为动能的过程这
些动能成为水流的动力消耗于沿途的冲刷搬运和堆积作用直到注入海洋才消耗殆尽
(三)流域水循环
在全球尺度上水循环是一个闭合的系统但是就流域的角度看水循环则是多个环节有
机耦合并外部开放的巨系统对于流域大气系统系统输入为流域外水汽输入系统输出为流
域内水汽输出蓄变量为流域大气水汽蓄变量对于流域地面系统而言系统输入为流域降水非闭合流域还有流域外地表水和地下水入流系统输出为流域内径流和蒸发蓄变量为流域地
表水蓄变量对于流域土壤系统而言系统输入为流域土壤入渗系统输出为流域土壤蒸发植被散发地下水上升蒸发土壤渗入地下水的补给和壤中出流蓄变量为流域土壤水蓄变量对于流域地下水系统而言系统输入为土壤渗入地下水的降水补给河渠水的渗入地表蓄水渗
漏越流补给灌溉回归水补给非闭合流域侧渗和区外含水层流入系统输出为地下水上升蒸
发地下水河道排泄地下出流和越流排泄蓄变量为流域地下水蓄变量流域水循环作为水循环特定空间范围内的一种具体实现是由一系列微观尺度的水循环过
程嵌套而成的同时作为陆地水循环和全球水循环的一个组成部分流域水循环及其演变过程
又受控于全球水循环的一般形势但是就流域水循环的结构看则大多表现为一个多层嵌套的
级联系统总体上看流域水循环包括降水蒸发下渗以及从上游到下游的产汇流过程但对
流域的局部地区(如支流或蓄水体)而言同时也是一个包含上述各水循环过程的开放系统
８ 流域水文学
三影响水循环的因素
影响水循环的因素很多一般可归纳为四大类气象因素如温度湿度风速风向等自然地理条件如地形地貌地质构造土壤和植被情况等人类活动包括各种水利措施农业措
施和水土保持措施等地理位置在这四类因素中气象因素是主要的起主导作用的因为在水循环的四个环节中有三个
(蒸发水汽输送降水)环节取决于气象条件径流虽受地形地貌地质构造土壤和植被等下
垫面条件的影响但径流的形成及其时空变化在很大程度上仍取决于气象条件自然地理条
件主要是通过蒸发和径流来影响水分循环有利于蒸发的地区水循环活跃而有利于径流的
地区则不利于水分循环人类活动对水分循环的影响主要表现在调节径流影响蒸发和降
水等水分循环环节上总之人类活动是通过改变下垫面条件来影响水分循环各环节的
第二节 水 量 平 衡
一水量平衡原理
水量平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体体现也是水循环得以存在的基础根据
物质不灭定律在水循环过程中对于任意选择的区域(或水体)在任意时段内其收入水量与
支出水量之间的差额等于该时段区域(或水体)内蓄水量的变化量即水在循环过程中从总体
上保持收支平衡水量平衡是研究水文现象的基本方法通过水量平衡可对水循环建立定量概念从而了解
各循环要素之间的定量关系水量平衡的基本方程为
I－O＝W２－W１＝ΔW (１Ｇ１)
式中I为给定时段内输入区域(或水体)的水量(mm 或 m３)O 为给定时段内输出区域(或水
体)的水量(mm 或 m３)W１W２ 为给定时段始末区域(或水体)的蓄水量(mm 或 m３)ΔW 为
时段内蓄水量的变化量ΔW＞０表示区域蓄水量增加ΔW＜０表示蓄水量减少(mm 或 m３)从本质上说水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现也是地球上水循环能
够持续不断进行下去的基本前提水循环是地球上客观存在的自然现象水量平衡是水循环
内在的规律水量平衡方程式则是水循环的数学表达式
二通用水量平衡方程
基于水量平衡原理以地面的某个部分作为研究对象这部分地面具有湖泊沼泽等水体并交错许多进出水道沿这部分地面的边界想象做出一个垂直的柱体柱体底部为地面以下
某一深度的水平面并假设该水平面上下的水量不进行交换根据水量平衡原理可知在某一
定时段内进入该区域的水量减去该柱体流出的水量应当等于该柱体内的蓄水变化量该区域水量收入部分包括以下各项①时段内的降水量P②时段内的凝结量X指水分
蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由河流流入的径流量ΣR地面入 ④由地下流入的径
流量ΣR地下入 ⑤柱体内时段初始蓄水量W 初 该区域水量支出部分包括以下各项①水分蒸发量E②由河流流出的径流量 ΣR地面出
第一章 水循环与水资源 ９
时段内的凝结量 X指水分蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由地下流出的径流
ΣR地下出 ④柱体内时段末期蓄水量W 末 ⑤用水量Y由此可列出任意区域在任意时段的通用水量平衡方程式为
P＋X ＋sumR地面入 ＋sumR地下入 ＋W 初 ＝E＋sumR地面出 ＋sumR地下出 ＋W 末 ＋Y
(１Ｇ２)
三流域水量平衡方程
对于一个天然闭合流域其地面分水线与地下分水线一致(分水线概念见第２章)则不可
能有水从外流域经地表或地下流入故通用水量平衡方程中ΣR地面入 和ΣR地下入 均为０凝结
量X 并入降水中计算令流出的总水量为R即
R＝sumR地面出 ＋sumR地下出 (１Ｇ３)
则有
P＝E＋R＋Y＋ΔW (１Ｇ４)
式中Y 为流域内国民经济的用水量包括灌溉用水量工业用水量外区域引水量及其他用水
量其中灌溉耗水量消耗于蒸发可计入流域总蒸发E 之中另一部分工业净耗水量消耗于蒸
发一部分是产品带水消耗于蒸发也计入E 之中而带水产品数量则很小可略去不计所以
闭合流域给定时段的水量平衡方程可写为
P＝E＋R＋ΔW (１Ｇ５)
如果所取的计算时段为一年则上式为闭合流域年水量平衡方程ΔW 为年初与年终流域
蓄水量的变化量如ΔW＞０则表示年内的降水一部分消耗于径流和蒸发其余则储蓄在流域
之内ΔW＜０表示年内径流蒸发不仅来自降水还有一部分来自流域原有的蓄水量对于多年平均来说流域内蓄水量变化量的均值近似为零即ΔW＝０故闭合流域多年平
均水量平衡方程为
P－
＝E－＋R
－ (１Ｇ６)
式中P－为多年平均降水量(mm 或 m３)R
－为多年平均径流量(mm 或 m３)E
－为多年平均蒸发
量(mm 或 m３)可见对于闭合流域多年平均流域的降水量等于多年平均径流量与多年平均蒸发量之和
PER 是水量平衡中的三个基本要素已知其中任意两项据此即可推求第三项值对于非闭合流域或较小流域地面与地下分水线不一致有一部分水量以渗流方式流至外
流域这种情况式(１Ｇ６)不成立应改写为
P＝E＋R＋ΔRprime＋ΔW (１Ｇ７)
式中ΔRprime为流域间水量交换量(mm 或 m３)其余符号同前有时也可以以径流量蒸发量对降水量的相对值来反映流域的水文特性式(１Ｇ６)两边除
以P－可得
E－
P－ ＋
R－
P－ ＝１ (１Ｇ８)
令R－
P－ ＝α０
E－
P－ ＝β０
１０ 流域水文学
则 α０＋β０＝１ (１Ｇ９)式中α０ 为多年平均径流系数β０ 为多年平均蒸发系数
α０β０ 反映了一个地区的气候和下垫面特性对于湿润地区α０ 较大可大于０1049008５干旱地
区α０ 较小有的只有百分之几而β０ 正好相反
第三节 水 资 源
一水资源的内涵
水是宝贵的自然资源也是自然生态环境中最积极最活跃的因素同时水又是人类生存
和社会经济活动的基本条件其应用价值表现为水量水质及水能三个方面地球上的水资源广义来说是指水圈内所有水包括海洋河流湖泊沼泽冰川土壤
水地下水及大气水都是人类宝贵的财富但是对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰
川限于当前的经济技术条件目前大规模开发利用还有许多困难狭义的水资源不同于自然界的水体它仅仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利
用的那一部分动态水体这种开发利用不仅目前技术上可能而且经济上合理且对生态环
境可能造成的影响也是可接受的这种水资源主要指河流湖泊地下水和土壤水等淡水一些区域还包括微咸水
需要说明的是土壤水虽然不能直接用于工业城镇供水但它是植物生长必不可少的条
件可以直接被植物吸收所以土壤水也应属于水资源范畴至于大气降水它不仅是径流形
成的最重要因素也是淡水资源的最主要甚至唯一的补给来源
二水资源特性
狭义而言水资源主要指水循环周期内可以恢复再生的能为人类直接利用的淡水资源它具有如下特征
(１)水资源的可再生性水资源与其他固体资源的本质区别在于其流动性是在循环中
形成的一种动态资源水资源在开采利用后能够得到大气降水的补给处在不断地开采补给和消耗恢复的循环之中
(２)储量有限性水资源处在不断地消耗和补充过程中在某种意义上水资源具有ldquo取之
不尽rdquo的特点恢复性强但实际上淡水资源储量是十分有限的且淡水资源大部分储存在极
地冰帽和冰川中真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的０1049008００７６８从水
量动态平衡的观点来看某一期间的水量消耗量应接近于该期间的水量补给量否则将会破坏
水平衡造成一系列环境问题可见水资源过程是无限的水资源储量是有限的并非取之不
尽用之不竭(３)时空分布不均匀性水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布特征时空分布的
不均匀性是水资源的又一特性我国水资源在区域上分布极不均匀总体来说东南多西北
少沿海多内陆少山区多平原少在同一地区中不同时间分布差异性很大一般是夏多冬少(４)因果随机性自然界中可更新的水资源主要来源于大气降水和融雪水其循环转换
具有因果关系由于大气降水和融雪水在时空上存在随机性导致水资源转化过程中有随机
性如某一区域既有丰平枯三种年型又有连枯连丰情况一年当中还有枯水期和丰水期这种变化都是随机的具有一定统计规律
- 空白页面
- 空白页面
-
目 录 vii
三水土保持农业技术措施对泥沙的影响与估算 ２４１1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
第四节 水土保持效益的观测与估算 ２４２10490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
一水土保持效益观测 ２４２1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
二水土保持效益估算 ２４６1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
思考题 ２４８104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018参考文献 ２４９1049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018附表 ２５１104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018104901810490181049018
绪 论
一流域水文学研究的对象
地球上水的存在形式多种多样它总是以气态液态固态的形式存在于地球的表面地球
的大气层中和地球的土壤岩层中大气中的水汽地面上的江河湖沼海洋和地下水等统称
为水体水体是以一定形态存在于某一环境之中且具有独特的水文规律和水文特征的水气态固态液态的形式不断转化地表水大气水地下水之间不断进行变换和转移并在时
空分布上不断发生变化从而构成了复杂的水文现象水文学是研究地球上各种水体的形成运动过程分布规律及其相互联系和转化规律的科
学是在人类长期开发利用水资源并与水旱灾害作斗争的生产实践中通过观测实验和分析
计算深入研究各种水文现象及其规律而形成的一门学科流域作为一个封闭的地形单元溪流或河川排泄某一断面以上全部面积的径流流域也是一个水文单元流域水文学主要研究
一个流域内水体的形成运动过程分布规律及其相互转化相互联系规律的科学我国是一个多山的国家山地丘陵面积约占国土总面积的２３还是一个水土流失十分
严重的国家全国轻度侵蚀以上的水蚀面积为１７９万km２水土流失不仅给当地人民的生产
生活带来了极大影响而且由于泥沙输移下泄淤塞下游河道水库一遇洪水将给下游的工农
业生产乃至人民生命财产的安全造成严重威胁新中国成立以后党中央国务院对水土保持
工作十分重视为了充分发挥水土资源及其他自然资源的生态效益经济效益社会效益以流域为单元在全面规划的基础上合理安排农林牧副各业用地因地制宜地布设综合治理
措施对水土资源及其他自然资源进行保护改良和合理利用以流域为单元的水土流失治理
工作的发展促进了流域水文学的发展一个闭合小流域能较完整地反映从降雨引起的产流产沙及汇流输沙的全部过程针对流
域水文的研究有利于了解和掌握水的运动运行规律和各水文特征值的变化及其影响机制水土保持工作以小流域为单元进行综合治理有利于按照客观规律和自然特点合理地开
发利用水土资源有利于把治坡与治沟生物措施与工程措施长远利益与当前利益结合起来最大限度地提高土地利用率和劳动生产率从而加快了治理速度提高了经济效益和生态效
益小流域治理已成为我国治理水土流失的主要形式流域水文学是结合流域治理的需要逐渐形成和发展的一门应用技术即应用水文学知识于流域治理之中是一门合理开发利用各
种水资源进行流域治理的基础学科流域水文学正是基于水土保持工作发展和实践的需要并随着水文科学技术的进步及气
象学地貌学土壤学地质学山坡水文学农业水文学森林水文学土壤物理学等有关学科
的渗透而逐步发展形成的一门水文学的分支学科流域水文学是以闭合流域为模式以水分循环和水量平衡原理为理论基础河川径流形成
及流域产汇流理论从成因分析角度论述了流域水的运动运行规律水与环境条件之间的相互
依存相互制约的关系以及人类通过改变环境条件对径流的影响为小流域水土流失的治理
工作奠定理论基础水文分析计算包括了设计年径流多年平均年输沙量设计洪水和枯水径
流是小流域水土保持工程规划设计的重要依据通过水文计算合理地确定工程措施的规模
２ 流域水文学
和标准使工程既经济合理又安全可靠水土保持径流泥沙观测和流域泥沙输移是研究水
土流失规律及小流域综合治理效益不可缺少的内容它为学习者提供了研究方法和技能
二水文现象的特征
水文现象受气候和自然地理因素的综合影响而这些因素的组合和变化决定了水文规律时空分布变化上具有以下特点
１1049008时程上的周期性与随机性
所谓周期性是指水文现象的过程大致以某一时段为循环周期例如河流的水量变化在一年中有丰水期(汛期)和枯水期尽管各年的总水量有大有小但各年的丰枯交替过程是相
似的形成上述周期变化的原因主要是地球公转及自转地球和月球的相对运动以及太阳黑
子的周期性运动所导致的昼夜四季交替的影响所致水文现象的周期性不像数学上的周期函数那样各周期的变化过程和相应数值完全重复
的出现水文现象周期性只是表现在不同时期内其数量在时程上的变化趋势大致相似虽然河流每年均会出现汛期或枯水期但是每年汛期和枯水期出现的时间水量和过程通
常是不会完全重复的即每年汛期出现的时间和量值具有随机性各周期相应过程上的数值
及各种水文特征值具有偶然性例如一条河流在不同年份的流量过程虽然都有相似的丰
枯交替变化但不会完全相同这是因为影响水文现象的因素众多各因素本身在时间上也在
不断地变化并且相互作用相互制约对于具有随机性特点的各种水文特征值主要应用数
理统计和概论理论来研究其变化规律因此在时间上水文现象的周期性既是必然的又是偶然的有确定性的一面又有随机性
的一面
２1049008地区上的相似性与特殊性
水文现象在地区分布上既存在相似性又存在特殊性不同的流域如果所处的地理位置
(纬度距海远近等)相似由于纬度地带性的影响水文现象也就具有一定程度的相似性例
如我国南方湿润区的河流水量充沛年内分配较均匀含沙量较小而北方干旱地区的河流
则水量不足年内分配不均含沙量大地带相似性反映水文现象在空间变化上存在确定性的
一面有些流域虽然所处的地理位置和气候条件相似但流域的下垫面条件存在差异水文现象
就会有很大的差异水文变化规律在某些方面具有各自的特殊性这就是水文现象的特殊性如同一气候地区山区河流的洪水过程陡涨陡落洪水历时短而平原区河流的洪水过程涨落
平缓洪水历时长植被较好的流域洪水过程平缓径流年内分配均匀河流泥沙较少而植被
较差的流域则相反这种局部性的变化反映水文现象在空间变化上也存在不确定性的一面总的来说水文现象与其他自然现象一样无论在时间或空间上均同时存在确定性和不确
定性
三研究方法
１1049008水文学的研究特点
水文循环是自然界各种水体的存在条件和相互联系的纽带是水的各种运动变化形式的
总和是水文科学研究的主要对象和核心内容而在水文循环过程中水文现象所表现出的特
点决定了水文科学研究的特点
绪 论 ３
首先水文科学把各种水文现象作为一个整体并把它们同大气圈岩石圈生物圈和人
类活动对它们的影响结合起来进行研究例如在借助水量平衡方法研究某个流域的水量变
化时既要考虑流域周围大气中水汽输送也要考虑流域上空大气中水分含量的变化既要考
虑降水也要考虑蒸发既要考虑流域的地面径流也要考虑流域土壤含水量和流域内外地下
水的交换而且还要考虑流域内水利工程以及其他人类活动的影响其次水文科学主要根据已有的水文资料预测或预估水文情势未来状况直接为人类的
生活和生产服务例如提供洪水预报和各种水情预报对旱涝灾害的发生做出中长期预测为水利工程在未来运转时期中可能遇到的特大洪水做出概率预估等
同时水文科学主要靠建立的水文观测站网通过对自然界已发生的水文现象的观测进行
分析和研究各种水文实验除少数在实验室内进行以外主要是在自然界中如在实验流域
中进行
２1049008水文现象的研究方法
根据水文现象的基本特点按不同的目的和要求水文现象研究方法有３种
１)成因分析法 根据实测的水文资料对各种水文现象研究其发生和形成过程揭露
各物理环节间的内在联系建立水文现象各要素间的定性与定量关系即寻求各种水文现象的
成因规律这种方法称为成因分析法如对径流的成因研究一般是选择有代表性的实验流域通过对降雨蒸发下渗径流等
要素的观测研究由降雨到径流过程间各环节的物理机制定量转换规律从而得出降雨与径
流量之间以及降雨过程与径流过程之间的定量关系这在水文计算和水文预报中有重大的应
用价值成因分析法是建立在水文过程的物理基础之上比单纯用经验方法或统计方法要完善的
多但目前对某些水文现象的认识还不是很清楚特别是对水文过程各环节所有要素值不能全
部通过观测得到还缺乏合理的定量方法所以即使采用成因分析法仍不免把经验处理和统
计分析作为辅助手段
２)统计分析法 水文现象特征值的出现具有随机性如年径流量年降水量年最大洪
峰流量等均可视为随机变量对于长期的水文观测资料可利用数理统计方法求得水文特征
的统计规律从而对水文特征值做出超长期的概率预估为工程设计管理提供可靠依据还可
应用统计分析水文现象之间水文现象与其影响因素之间的相关分析据以建立经验相关关
系该方法广泛应用于水文分析计算水文预报之中
３)地理综合法 根据水文现象特征值具有地带性规律的特点可以对各测站水文要素
的特征值在消除其非地带性因素后绘制各种水文特征值的等值线图此等值线图可用来推
求无实测资料区域的特征值有时也可用各测站的水文特征值与所在流域的自然地理特征值
(如流域面积河道平均坡度等)之间建立地区经验公式推求无资料相似流域的水文特征值如甲乙两地区的气候和自然地理条件都相似水文现象也相似则可将甲地区的水文特征
值直接移用到乙地区这种方法通常称为水文比拟法也属于地理综合法地理综合法特别适用于无资料(资料不全)地区的各种水文计算和水资源评价另外在测
站布设时如果充分考虑水文现象的地带性规律的特点则可以用最少的测站观测到的资料去解决各种自然地理特点流域的水文计算问题
４ 流域水文学
四课程性质及教学目的要求
水土保持学科是以水土流失成因为基础以水土保持措施设计布局为手段实现防治水
土流失提高水土资源利用效率的目标最终达到建立良好生态环境目的的一门应用技术学
科laquo流域水文学raquo课程对学生理解土壤侵蚀过程径流泥沙测验和水土保持措施规划设计与
布设等均有重要作用故它一直是水土保持专业教学中的一门必修学科基础课针对水土
保持专业的laquo流域水文学raquo课程教学应重点培养学生具备扎实的水文学理论基础和基本应用
能力扎实的理论基础应包括水文学基本特点及研究方法水文循环河川径流的形成及其影响
因素以及产汇流基本理论等基本应用能力应包括水土保持水文信息收集产汇流计算设计
径流及设计洪水计算等laquo流域水文学raquo课程以坡面降雨径流侵蚀产沙和水土保持措施水文效应为主线要求学生
重点掌握坡面产流规律设计径流计算小流域设计洪水计算和水土保持径流泥沙观测等熟悉设计洪水的计算了解水土保持措施的水文效应基于以上几点教学内容本教材由下列４部分组成
(１)水文学基本原理部分主要阐述水文循环基本过程影响因素各要素的物理机制和
分析计算方法水量平衡原理及其应用以及水文循环的作用效应等(２)产汇流基本知识部分主要从成因分析角度阐述产流机制产流模式产流计算汇流
计算(３)设计径流计算部分主要从水文统计角度利用水文频率计算确定设计年径流量由
流量资料推求设计洪水和由降雨资料推求设计洪水的基本方法介绍小流域设计洪水方法(４)水土保持径流泥沙观测与估算部分主要介绍通过水土保持径流泥沙观测获取径流
泥沙资料的基本方法借助流域水文模型对水文规律进行模拟对未来一定时期的水文状态做
出定性和定量的预测分析水土保持措施对流域径流泥沙的影响
第一章 水循环与水资源
【内容提要】 自然界水体在太阳辐射作用下蒸发进入大气随气流输送输送中遇到适
当的条件形成降水部分形成径流以各种形式补给地球上的水体使得地球上的各类水资源
得以补充本章主要介绍水循环现象水量平衡原理和水资源基本概念
第一节 自然界的水循环
一地球上水的分布
水是地球上分布最为广泛的物质之一它以气态液态和固态三种形式存在于空气地表
与地下成为大气水海水和陆地水并和存在于所有动植物有机体内的生物水组成了一个
统一的相互联系的水圈地球上的水水平分布面积很广垂直分布则存在于大气圈生物圈岩石圈之中其水量
非常丰富约为１３1049008８６times１０８km３所以地球有ldquo水的行星rdquo之称(表１Ｇ１)
表１Ｇ１ 全球的水储量
水体水储量 咸水 淡水
１０３km３ １０３km３ １０３km３
海洋水 １３３８０００1049008０ ９６1049008５４ １３３８０００ ９９1049008０４ mdash mdash
冰川与永久雪盖 ２４０６４1049008１ １1049008７４ mdash mdash ２４０６４1049008１ ６８1049008７０
地下水 ２３４００1049008０ １1049008６９ １２８７０ ０1049008９５ １０５３０1049008０ ３０1049008０６
永冻土底冰 ３００1049008０ ０1049008０２ mdash mdash ３００1049008０ ０1049008８６
湖泊水 １７６1049008４ ０1049008０１３ ８５1049008４ ０1049008００６ ９１1049008０ ０1049008２６
土壤水 １６1049008５ ０1049008００１ mdash mdash １６1049008５ ０1049008０４７
大气水 １２1049008９ ０1049008０００９ mdash mdash １２1049008９ ０1049008０３７
沼泽水 １１1049008５ ０1049008０００８ mdash mdash １１1049008５ ０1049008０３３
河流水 ２1049008１２ ０1049008０００２ mdash mdash ２1049008１２ ０1049008００６
生物水 １1049008１２ ０1049008０００１ mdash mdash １1049008１２ ０1049008００３
总 计 １３８５９８４1049008６ １００ １３５０９５５1049008４ １００ ３５０２９1049008２ １００
资料来源贺伟程1049008１９９２1049008世界水资源水利1049008中国水利大百科全书1049008北京中国大百科全书出版社
海水世界上海洋的面积为３1049008６１times１０８km２占地球表面积的７１海水的体积为１1049008３４times１０８km３占地球总储水量的９６1049008５
地下水地下水通常是指储存在地壳含水层中的重力水总储量为２1049008３４times１０７km３其中
地下淡水的储量为１1049008０５times１０７km３土壤水土壤水是指储存于地表最上部约２m 厚土层内的水当土层的平均湿度为
１０相当于含水深度为０1049008２m如果以陆地上土层覆盖总面积８２００万km２ 计算那么土壤水
的储量为１1049008６５times１０６km３
６ 流域水文学
冰雪水陆地上现代冰川的总面积超过１1049008６times１０７km２总体积为２1049008７times１０７km３若以冰的
密度９００kgm３ 计算折合成液态水约为２1049008４times１０７km３为地表河流湖泊总储水量的１２７倍湖泊水世界上大小湖泊多达数百万个全球湖泊水总储量为１1049008７６times１０７km３其中淡水储
量０1049008９１times１０７km３沼泽水沼泽水是一种特殊的水体没有开阔的水域只是陆地上层土壤中含有大量停滞
水分的过湿地段地球上沼泽的总面积约为２1049008６８times１０６km２总储水量约为１1049008１５times１０４km３河流水由于河水不停地流动全世界河床静储水量为２１２０km３占地球上总储水量
的０1049008０００２生物水生物水是指生物有机体中所含的水分据计算全球生物水的总量为１１２０km３
占地球总储水量的０1049008０００１大气水地表之上大气中的水汽来自地球表面各种水体水面的蒸发土壤蒸发及植物散
发并借助空气的垂直交换向上输送一般说来空气中的水汽含量随高度的增大而减少大
气水在７km 以内总量约有１２９００km３折合成水深约为２５mm仅占地球总水量的０1049008００１虽然数量不多但活动能力却很强是云雨雪雹霰雷闪电的根源
二水循环现象
(一)水循环基本过程
水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射地心引力等作用下通过蒸发水汽输送凝结降水下渗以及径流等环节不断地发生相态转换和周而复始运动的过程
从全球整体角度来说水循环过程可以设想从海洋的蒸发开始蒸发的水汽升入空中并被气流输送至各地其中大部分留在海洋上空少部分深入内陆在适当条件下这些水汽凝
结成为降水海面上的降水直接回归海洋而降落到陆地表面的雨雪除重新蒸发升入空中的
水汽外一部分成为地面径流补给江河湖泊另一部分渗入岩土层中转化为壤中流与地下径
流地面径流壤中流与地下径流最后也流入海洋构成全球性统一的连续有序的动态大
系统水循环广及整个水圈并深入大气圈岩石圈及生物圈其循环路径并非单一的而是通
过无数条路线实现循环和相变的所以水循环系统是由无数不同尺度不同规模的局部水循环
所组合而成的复杂系统图１Ｇ１为全球海陆间水循环过程的概化图整个过程可分解为水汽蒸发水汽输送凝结
降水水分入渗地表和地下径流等五个基本环节这五个环节既相互联系相互影响又交错
并存相对独立并在不同的环境条件下呈现不同的组合在全球各地形成一系列不同规模的
地区水循环
(二)水循环机理
地球上的水分在交替循环过程中总是溶解并携带着某些物质一起运动如溶于水中的各
种化学元素气体以及泥沙等固体杂质等不过这些物质不可能像水分那样构成完整的循环
系统所以通常意义上的水文循环仅指水分循环简称水循环太阳辐射与重力作用是水循环的基本动力此动力不消失水循环将永恒存在水的物理
性质在常温常压条件下液态气态固态三相变化的特性是水循环的前提条件外部环境包括
第一章 水循环与水资源 ７
图１Ｇ１ 水循环示意图(图中数字为水循环各环节转化量单位为１０４km３)
地理纬度海陆分布地貌形态等则制约了水循环的路径规模与强度水循环遵循质量守恒定律整个循环过程保持着连续性从实质上说水循环是物质与能量
的传输储存和转化过程而且存在于每一环节在蒸发环节中伴随液态水转化为气态水的是
热能的消耗伴随着凝结降水的是潜热的释放所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过
程据测算全球海陆日平均蒸发量为１1049008５８times１０１３m３是长江全年入海径流量的１1049008６倍蒸发这
些水汽的总耗热量高达３1049008８７８times１０２１J如折合电能为１０1049008７７times１０１４kW1048944h所以地面潜热交换成为
大气热量的主要来源由降水转化为地面与地下径流的过程则是势能转化为动能的过程这
些动能成为水流的动力消耗于沿途的冲刷搬运和堆积作用直到注入海洋才消耗殆尽
(三)流域水循环
在全球尺度上水循环是一个闭合的系统但是就流域的角度看水循环则是多个环节有
机耦合并外部开放的巨系统对于流域大气系统系统输入为流域外水汽输入系统输出为流
域内水汽输出蓄变量为流域大气水汽蓄变量对于流域地面系统而言系统输入为流域降水非闭合流域还有流域外地表水和地下水入流系统输出为流域内径流和蒸发蓄变量为流域地
表水蓄变量对于流域土壤系统而言系统输入为流域土壤入渗系统输出为流域土壤蒸发植被散发地下水上升蒸发土壤渗入地下水的补给和壤中出流蓄变量为流域土壤水蓄变量对于流域地下水系统而言系统输入为土壤渗入地下水的降水补给河渠水的渗入地表蓄水渗
漏越流补给灌溉回归水补给非闭合流域侧渗和区外含水层流入系统输出为地下水上升蒸
发地下水河道排泄地下出流和越流排泄蓄变量为流域地下水蓄变量流域水循环作为水循环特定空间范围内的一种具体实现是由一系列微观尺度的水循环过
程嵌套而成的同时作为陆地水循环和全球水循环的一个组成部分流域水循环及其演变过程
又受控于全球水循环的一般形势但是就流域水循环的结构看则大多表现为一个多层嵌套的
级联系统总体上看流域水循环包括降水蒸发下渗以及从上游到下游的产汇流过程但对
流域的局部地区(如支流或蓄水体)而言同时也是一个包含上述各水循环过程的开放系统
８ 流域水文学
三影响水循环的因素
影响水循环的因素很多一般可归纳为四大类气象因素如温度湿度风速风向等自然地理条件如地形地貌地质构造土壤和植被情况等人类活动包括各种水利措施农业措
施和水土保持措施等地理位置在这四类因素中气象因素是主要的起主导作用的因为在水循环的四个环节中有三个
(蒸发水汽输送降水)环节取决于气象条件径流虽受地形地貌地质构造土壤和植被等下
垫面条件的影响但径流的形成及其时空变化在很大程度上仍取决于气象条件自然地理条
件主要是通过蒸发和径流来影响水分循环有利于蒸发的地区水循环活跃而有利于径流的
地区则不利于水分循环人类活动对水分循环的影响主要表现在调节径流影响蒸发和降
水等水分循环环节上总之人类活动是通过改变下垫面条件来影响水分循环各环节的
第二节 水 量 平 衡
一水量平衡原理
水量平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体体现也是水循环得以存在的基础根据
物质不灭定律在水循环过程中对于任意选择的区域(或水体)在任意时段内其收入水量与
支出水量之间的差额等于该时段区域(或水体)内蓄水量的变化量即水在循环过程中从总体
上保持收支平衡水量平衡是研究水文现象的基本方法通过水量平衡可对水循环建立定量概念从而了解
各循环要素之间的定量关系水量平衡的基本方程为
I－O＝W２－W１＝ΔW (１Ｇ１)
式中I为给定时段内输入区域(或水体)的水量(mm 或 m３)O 为给定时段内输出区域(或水
体)的水量(mm 或 m３)W１W２ 为给定时段始末区域(或水体)的蓄水量(mm 或 m３)ΔW 为
时段内蓄水量的变化量ΔW＞０表示区域蓄水量增加ΔW＜０表示蓄水量减少(mm 或 m３)从本质上说水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现也是地球上水循环能
够持续不断进行下去的基本前提水循环是地球上客观存在的自然现象水量平衡是水循环
内在的规律水量平衡方程式则是水循环的数学表达式
二通用水量平衡方程
基于水量平衡原理以地面的某个部分作为研究对象这部分地面具有湖泊沼泽等水体并交错许多进出水道沿这部分地面的边界想象做出一个垂直的柱体柱体底部为地面以下
某一深度的水平面并假设该水平面上下的水量不进行交换根据水量平衡原理可知在某一
定时段内进入该区域的水量减去该柱体流出的水量应当等于该柱体内的蓄水变化量该区域水量收入部分包括以下各项①时段内的降水量P②时段内的凝结量X指水分
蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由河流流入的径流量ΣR地面入 ④由地下流入的径
流量ΣR地下入 ⑤柱体内时段初始蓄水量W 初 该区域水量支出部分包括以下各项①水分蒸发量E②由河流流出的径流量 ΣR地面出
第一章 水循环与水资源 ９
时段内的凝结量 X指水分蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由地下流出的径流
ΣR地下出 ④柱体内时段末期蓄水量W 末 ⑤用水量Y由此可列出任意区域在任意时段的通用水量平衡方程式为
P＋X ＋sumR地面入 ＋sumR地下入 ＋W 初 ＝E＋sumR地面出 ＋sumR地下出 ＋W 末 ＋Y
(１Ｇ２)
三流域水量平衡方程
对于一个天然闭合流域其地面分水线与地下分水线一致(分水线概念见第２章)则不可
能有水从外流域经地表或地下流入故通用水量平衡方程中ΣR地面入 和ΣR地下入 均为０凝结
量X 并入降水中计算令流出的总水量为R即
R＝sumR地面出 ＋sumR地下出 (１Ｇ３)
则有
P＝E＋R＋Y＋ΔW (１Ｇ４)
式中Y 为流域内国民经济的用水量包括灌溉用水量工业用水量外区域引水量及其他用水
量其中灌溉耗水量消耗于蒸发可计入流域总蒸发E 之中另一部分工业净耗水量消耗于蒸
发一部分是产品带水消耗于蒸发也计入E 之中而带水产品数量则很小可略去不计所以
闭合流域给定时段的水量平衡方程可写为
P＝E＋R＋ΔW (１Ｇ５)
如果所取的计算时段为一年则上式为闭合流域年水量平衡方程ΔW 为年初与年终流域
蓄水量的变化量如ΔW＞０则表示年内的降水一部分消耗于径流和蒸发其余则储蓄在流域
之内ΔW＜０表示年内径流蒸发不仅来自降水还有一部分来自流域原有的蓄水量对于多年平均来说流域内蓄水量变化量的均值近似为零即ΔW＝０故闭合流域多年平
均水量平衡方程为
P－
＝E－＋R
－ (１Ｇ６)
式中P－为多年平均降水量(mm 或 m３)R
－为多年平均径流量(mm 或 m３)E
－为多年平均蒸发
量(mm 或 m３)可见对于闭合流域多年平均流域的降水量等于多年平均径流量与多年平均蒸发量之和
PER 是水量平衡中的三个基本要素已知其中任意两项据此即可推求第三项值对于非闭合流域或较小流域地面与地下分水线不一致有一部分水量以渗流方式流至外
流域这种情况式(１Ｇ６)不成立应改写为
P＝E＋R＋ΔRprime＋ΔW (１Ｇ７)
式中ΔRprime为流域间水量交换量(mm 或 m３)其余符号同前有时也可以以径流量蒸发量对降水量的相对值来反映流域的水文特性式(１Ｇ６)两边除
以P－可得
E－
P－ ＋
R－
P－ ＝１ (１Ｇ８)
令R－
P－ ＝α０
E－
P－ ＝β０
１０ 流域水文学
则 α０＋β０＝１ (１Ｇ９)式中α０ 为多年平均径流系数β０ 为多年平均蒸发系数
α０β０ 反映了一个地区的气候和下垫面特性对于湿润地区α０ 较大可大于０1049008５干旱地
区α０ 较小有的只有百分之几而β０ 正好相反
第三节 水 资 源
一水资源的内涵
水是宝贵的自然资源也是自然生态环境中最积极最活跃的因素同时水又是人类生存
和社会经济活动的基本条件其应用价值表现为水量水质及水能三个方面地球上的水资源广义来说是指水圈内所有水包括海洋河流湖泊沼泽冰川土壤
水地下水及大气水都是人类宝贵的财富但是对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰
川限于当前的经济技术条件目前大规模开发利用还有许多困难狭义的水资源不同于自然界的水体它仅仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利
用的那一部分动态水体这种开发利用不仅目前技术上可能而且经济上合理且对生态环
境可能造成的影响也是可接受的这种水资源主要指河流湖泊地下水和土壤水等淡水一些区域还包括微咸水
需要说明的是土壤水虽然不能直接用于工业城镇供水但它是植物生长必不可少的条
件可以直接被植物吸收所以土壤水也应属于水资源范畴至于大气降水它不仅是径流形
成的最重要因素也是淡水资源的最主要甚至唯一的补给来源
二水资源特性
狭义而言水资源主要指水循环周期内可以恢复再生的能为人类直接利用的淡水资源它具有如下特征
(１)水资源的可再生性水资源与其他固体资源的本质区别在于其流动性是在循环中
形成的一种动态资源水资源在开采利用后能够得到大气降水的补给处在不断地开采补给和消耗恢复的循环之中
(２)储量有限性水资源处在不断地消耗和补充过程中在某种意义上水资源具有ldquo取之
不尽rdquo的特点恢复性强但实际上淡水资源储量是十分有限的且淡水资源大部分储存在极
地冰帽和冰川中真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的０1049008００７６８从水
量动态平衡的观点来看某一期间的水量消耗量应接近于该期间的水量补给量否则将会破坏
水平衡造成一系列环境问题可见水资源过程是无限的水资源储量是有限的并非取之不
尽用之不竭(３)时空分布不均匀性水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布特征时空分布的
不均匀性是水资源的又一特性我国水资源在区域上分布极不均匀总体来说东南多西北
少沿海多内陆少山区多平原少在同一地区中不同时间分布差异性很大一般是夏多冬少(４)因果随机性自然界中可更新的水资源主要来源于大气降水和融雪水其循环转换
具有因果关系由于大气降水和融雪水在时空上存在随机性导致水资源转化过程中有随机
性如某一区域既有丰平枯三种年型又有连枯连丰情况一年当中还有枯水期和丰水期这种变化都是随机的具有一定统计规律
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绪 论
一流域水文学研究的对象
地球上水的存在形式多种多样它总是以气态液态固态的形式存在于地球的表面地球
的大气层中和地球的土壤岩层中大气中的水汽地面上的江河湖沼海洋和地下水等统称
为水体水体是以一定形态存在于某一环境之中且具有独特的水文规律和水文特征的水气态固态液态的形式不断转化地表水大气水地下水之间不断进行变换和转移并在时
空分布上不断发生变化从而构成了复杂的水文现象水文学是研究地球上各种水体的形成运动过程分布规律及其相互联系和转化规律的科
学是在人类长期开发利用水资源并与水旱灾害作斗争的生产实践中通过观测实验和分析
计算深入研究各种水文现象及其规律而形成的一门学科流域作为一个封闭的地形单元溪流或河川排泄某一断面以上全部面积的径流流域也是一个水文单元流域水文学主要研究
一个流域内水体的形成运动过程分布规律及其相互转化相互联系规律的科学我国是一个多山的国家山地丘陵面积约占国土总面积的２３还是一个水土流失十分
严重的国家全国轻度侵蚀以上的水蚀面积为１７９万km２水土流失不仅给当地人民的生产
生活带来了极大影响而且由于泥沙输移下泄淤塞下游河道水库一遇洪水将给下游的工农
业生产乃至人民生命财产的安全造成严重威胁新中国成立以后党中央国务院对水土保持
工作十分重视为了充分发挥水土资源及其他自然资源的生态效益经济效益社会效益以流域为单元在全面规划的基础上合理安排农林牧副各业用地因地制宜地布设综合治理
措施对水土资源及其他自然资源进行保护改良和合理利用以流域为单元的水土流失治理
工作的发展促进了流域水文学的发展一个闭合小流域能较完整地反映从降雨引起的产流产沙及汇流输沙的全部过程针对流
域水文的研究有利于了解和掌握水的运动运行规律和各水文特征值的变化及其影响机制水土保持工作以小流域为单元进行综合治理有利于按照客观规律和自然特点合理地开
发利用水土资源有利于把治坡与治沟生物措施与工程措施长远利益与当前利益结合起来最大限度地提高土地利用率和劳动生产率从而加快了治理速度提高了经济效益和生态效
益小流域治理已成为我国治理水土流失的主要形式流域水文学是结合流域治理的需要逐渐形成和发展的一门应用技术即应用水文学知识于流域治理之中是一门合理开发利用各
种水资源进行流域治理的基础学科流域水文学正是基于水土保持工作发展和实践的需要并随着水文科学技术的进步及气
象学地貌学土壤学地质学山坡水文学农业水文学森林水文学土壤物理学等有关学科
的渗透而逐步发展形成的一门水文学的分支学科流域水文学是以闭合流域为模式以水分循环和水量平衡原理为理论基础河川径流形成
及流域产汇流理论从成因分析角度论述了流域水的运动运行规律水与环境条件之间的相互
依存相互制约的关系以及人类通过改变环境条件对径流的影响为小流域水土流失的治理
工作奠定理论基础水文分析计算包括了设计年径流多年平均年输沙量设计洪水和枯水径
流是小流域水土保持工程规划设计的重要依据通过水文计算合理地确定工程措施的规模
２ 流域水文学
和标准使工程既经济合理又安全可靠水土保持径流泥沙观测和流域泥沙输移是研究水
土流失规律及小流域综合治理效益不可缺少的内容它为学习者提供了研究方法和技能
二水文现象的特征
水文现象受气候和自然地理因素的综合影响而这些因素的组合和变化决定了水文规律时空分布变化上具有以下特点
１1049008时程上的周期性与随机性
所谓周期性是指水文现象的过程大致以某一时段为循环周期例如河流的水量变化在一年中有丰水期(汛期)和枯水期尽管各年的总水量有大有小但各年的丰枯交替过程是相
似的形成上述周期变化的原因主要是地球公转及自转地球和月球的相对运动以及太阳黑
子的周期性运动所导致的昼夜四季交替的影响所致水文现象的周期性不像数学上的周期函数那样各周期的变化过程和相应数值完全重复
的出现水文现象周期性只是表现在不同时期内其数量在时程上的变化趋势大致相似虽然河流每年均会出现汛期或枯水期但是每年汛期和枯水期出现的时间水量和过程通
常是不会完全重复的即每年汛期出现的时间和量值具有随机性各周期相应过程上的数值
及各种水文特征值具有偶然性例如一条河流在不同年份的流量过程虽然都有相似的丰
枯交替变化但不会完全相同这是因为影响水文现象的因素众多各因素本身在时间上也在
不断地变化并且相互作用相互制约对于具有随机性特点的各种水文特征值主要应用数
理统计和概论理论来研究其变化规律因此在时间上水文现象的周期性既是必然的又是偶然的有确定性的一面又有随机性
的一面
２1049008地区上的相似性与特殊性
水文现象在地区分布上既存在相似性又存在特殊性不同的流域如果所处的地理位置
(纬度距海远近等)相似由于纬度地带性的影响水文现象也就具有一定程度的相似性例
如我国南方湿润区的河流水量充沛年内分配较均匀含沙量较小而北方干旱地区的河流
则水量不足年内分配不均含沙量大地带相似性反映水文现象在空间变化上存在确定性的
一面有些流域虽然所处的地理位置和气候条件相似但流域的下垫面条件存在差异水文现象
就会有很大的差异水文变化规律在某些方面具有各自的特殊性这就是水文现象的特殊性如同一气候地区山区河流的洪水过程陡涨陡落洪水历时短而平原区河流的洪水过程涨落
平缓洪水历时长植被较好的流域洪水过程平缓径流年内分配均匀河流泥沙较少而植被
较差的流域则相反这种局部性的变化反映水文现象在空间变化上也存在不确定性的一面总的来说水文现象与其他自然现象一样无论在时间或空间上均同时存在确定性和不确
定性
三研究方法
１1049008水文学的研究特点
水文循环是自然界各种水体的存在条件和相互联系的纽带是水的各种运动变化形式的
总和是水文科学研究的主要对象和核心内容而在水文循环过程中水文现象所表现出的特
点决定了水文科学研究的特点
绪 论 ３
首先水文科学把各种水文现象作为一个整体并把它们同大气圈岩石圈生物圈和人
类活动对它们的影响结合起来进行研究例如在借助水量平衡方法研究某个流域的水量变
化时既要考虑流域周围大气中水汽输送也要考虑流域上空大气中水分含量的变化既要考
虑降水也要考虑蒸发既要考虑流域的地面径流也要考虑流域土壤含水量和流域内外地下
水的交换而且还要考虑流域内水利工程以及其他人类活动的影响其次水文科学主要根据已有的水文资料预测或预估水文情势未来状况直接为人类的
生活和生产服务例如提供洪水预报和各种水情预报对旱涝灾害的发生做出中长期预测为水利工程在未来运转时期中可能遇到的特大洪水做出概率预估等
同时水文科学主要靠建立的水文观测站网通过对自然界已发生的水文现象的观测进行
分析和研究各种水文实验除少数在实验室内进行以外主要是在自然界中如在实验流域
中进行
２1049008水文现象的研究方法
根据水文现象的基本特点按不同的目的和要求水文现象研究方法有３种
１)成因分析法 根据实测的水文资料对各种水文现象研究其发生和形成过程揭露
各物理环节间的内在联系建立水文现象各要素间的定性与定量关系即寻求各种水文现象的
成因规律这种方法称为成因分析法如对径流的成因研究一般是选择有代表性的实验流域通过对降雨蒸发下渗径流等
要素的观测研究由降雨到径流过程间各环节的物理机制定量转换规律从而得出降雨与径
流量之间以及降雨过程与径流过程之间的定量关系这在水文计算和水文预报中有重大的应
用价值成因分析法是建立在水文过程的物理基础之上比单纯用经验方法或统计方法要完善的
多但目前对某些水文现象的认识还不是很清楚特别是对水文过程各环节所有要素值不能全
部通过观测得到还缺乏合理的定量方法所以即使采用成因分析法仍不免把经验处理和统
计分析作为辅助手段
２)统计分析法 水文现象特征值的出现具有随机性如年径流量年降水量年最大洪
峰流量等均可视为随机变量对于长期的水文观测资料可利用数理统计方法求得水文特征
的统计规律从而对水文特征值做出超长期的概率预估为工程设计管理提供可靠依据还可
应用统计分析水文现象之间水文现象与其影响因素之间的相关分析据以建立经验相关关
系该方法广泛应用于水文分析计算水文预报之中
３)地理综合法 根据水文现象特征值具有地带性规律的特点可以对各测站水文要素
的特征值在消除其非地带性因素后绘制各种水文特征值的等值线图此等值线图可用来推
求无实测资料区域的特征值有时也可用各测站的水文特征值与所在流域的自然地理特征值
(如流域面积河道平均坡度等)之间建立地区经验公式推求无资料相似流域的水文特征值如甲乙两地区的气候和自然地理条件都相似水文现象也相似则可将甲地区的水文特征
值直接移用到乙地区这种方法通常称为水文比拟法也属于地理综合法地理综合法特别适用于无资料(资料不全)地区的各种水文计算和水资源评价另外在测
站布设时如果充分考虑水文现象的地带性规律的特点则可以用最少的测站观测到的资料去解决各种自然地理特点流域的水文计算问题
４ 流域水文学
四课程性质及教学目的要求
水土保持学科是以水土流失成因为基础以水土保持措施设计布局为手段实现防治水
土流失提高水土资源利用效率的目标最终达到建立良好生态环境目的的一门应用技术学
科laquo流域水文学raquo课程对学生理解土壤侵蚀过程径流泥沙测验和水土保持措施规划设计与
布设等均有重要作用故它一直是水土保持专业教学中的一门必修学科基础课针对水土
保持专业的laquo流域水文学raquo课程教学应重点培养学生具备扎实的水文学理论基础和基本应用
能力扎实的理论基础应包括水文学基本特点及研究方法水文循环河川径流的形成及其影响
因素以及产汇流基本理论等基本应用能力应包括水土保持水文信息收集产汇流计算设计
径流及设计洪水计算等laquo流域水文学raquo课程以坡面降雨径流侵蚀产沙和水土保持措施水文效应为主线要求学生
重点掌握坡面产流规律设计径流计算小流域设计洪水计算和水土保持径流泥沙观测等熟悉设计洪水的计算了解水土保持措施的水文效应基于以上几点教学内容本教材由下列４部分组成
(１)水文学基本原理部分主要阐述水文循环基本过程影响因素各要素的物理机制和
分析计算方法水量平衡原理及其应用以及水文循环的作用效应等(２)产汇流基本知识部分主要从成因分析角度阐述产流机制产流模式产流计算汇流
计算(３)设计径流计算部分主要从水文统计角度利用水文频率计算确定设计年径流量由
流量资料推求设计洪水和由降雨资料推求设计洪水的基本方法介绍小流域设计洪水方法(４)水土保持径流泥沙观测与估算部分主要介绍通过水土保持径流泥沙观测获取径流
泥沙资料的基本方法借助流域水文模型对水文规律进行模拟对未来一定时期的水文状态做
出定性和定量的预测分析水土保持措施对流域径流泥沙的影响
第一章 水循环与水资源
【内容提要】 自然界水体在太阳辐射作用下蒸发进入大气随气流输送输送中遇到适
当的条件形成降水部分形成径流以各种形式补给地球上的水体使得地球上的各类水资源
得以补充本章主要介绍水循环现象水量平衡原理和水资源基本概念
第一节 自然界的水循环
一地球上水的分布
水是地球上分布最为广泛的物质之一它以气态液态和固态三种形式存在于空气地表
与地下成为大气水海水和陆地水并和存在于所有动植物有机体内的生物水组成了一个
统一的相互联系的水圈地球上的水水平分布面积很广垂直分布则存在于大气圈生物圈岩石圈之中其水量
非常丰富约为１３1049008８６times１０８km３所以地球有ldquo水的行星rdquo之称(表１Ｇ１)
表１Ｇ１ 全球的水储量
水体水储量 咸水 淡水
１０３km３ １０３km３ １０３km３
海洋水 １３３８０００1049008０ ９６1049008５４ １３３８０００ ９９1049008０４ mdash mdash
冰川与永久雪盖 ２４０６４1049008１ １1049008７４ mdash mdash ２４０６４1049008１ ６８1049008７０
地下水 ２３４００1049008０ １1049008６９ １２８７０ ０1049008９５ １０５３０1049008０ ３０1049008０６
永冻土底冰 ３００1049008０ ０1049008０２ mdash mdash ３００1049008０ ０1049008８６
湖泊水 １７６1049008４ ０1049008０１３ ８５1049008４ ０1049008００６ ９１1049008０ ０1049008２６
土壤水 １６1049008５ ０1049008００１ mdash mdash １６1049008５ ０1049008０４７
大气水 １２1049008９ ０1049008０００９ mdash mdash １２1049008９ ０1049008０３７
沼泽水 １１1049008５ ０1049008０００８ mdash mdash １１1049008５ ０1049008０３３
河流水 ２1049008１２ ０1049008０００２ mdash mdash ２1049008１２ ０1049008００６
生物水 １1049008１２ ０1049008０００１ mdash mdash １1049008１２ ０1049008００３
总 计 １３８５９８４1049008６ １００ １３５０９５５1049008４ １００ ３５０２９1049008２ １００
资料来源贺伟程1049008１９９２1049008世界水资源水利1049008中国水利大百科全书1049008北京中国大百科全书出版社
海水世界上海洋的面积为３1049008６１times１０８km２占地球表面积的７１海水的体积为１1049008３４times１０８km３占地球总储水量的９６1049008５
地下水地下水通常是指储存在地壳含水层中的重力水总储量为２1049008３４times１０７km３其中
地下淡水的储量为１1049008０５times１０７km３土壤水土壤水是指储存于地表最上部约２m 厚土层内的水当土层的平均湿度为
１０相当于含水深度为０1049008２m如果以陆地上土层覆盖总面积８２００万km２ 计算那么土壤水
的储量为１1049008６５times１０６km３
６ 流域水文学
冰雪水陆地上现代冰川的总面积超过１1049008６times１０７km２总体积为２1049008７times１０７km３若以冰的
密度９００kgm３ 计算折合成液态水约为２1049008４times１０７km３为地表河流湖泊总储水量的１２７倍湖泊水世界上大小湖泊多达数百万个全球湖泊水总储量为１1049008７６times１０７km３其中淡水储
量０1049008９１times１０７km３沼泽水沼泽水是一种特殊的水体没有开阔的水域只是陆地上层土壤中含有大量停滞
水分的过湿地段地球上沼泽的总面积约为２1049008６８times１０６km２总储水量约为１1049008１５times１０４km３河流水由于河水不停地流动全世界河床静储水量为２１２０km３占地球上总储水量
的０1049008０００２生物水生物水是指生物有机体中所含的水分据计算全球生物水的总量为１１２０km３
占地球总储水量的０1049008０００１大气水地表之上大气中的水汽来自地球表面各种水体水面的蒸发土壤蒸发及植物散
发并借助空气的垂直交换向上输送一般说来空气中的水汽含量随高度的增大而减少大
气水在７km 以内总量约有１２９００km３折合成水深约为２５mm仅占地球总水量的０1049008００１虽然数量不多但活动能力却很强是云雨雪雹霰雷闪电的根源
二水循环现象
(一)水循环基本过程
水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射地心引力等作用下通过蒸发水汽输送凝结降水下渗以及径流等环节不断地发生相态转换和周而复始运动的过程
从全球整体角度来说水循环过程可以设想从海洋的蒸发开始蒸发的水汽升入空中并被气流输送至各地其中大部分留在海洋上空少部分深入内陆在适当条件下这些水汽凝
结成为降水海面上的降水直接回归海洋而降落到陆地表面的雨雪除重新蒸发升入空中的
水汽外一部分成为地面径流补给江河湖泊另一部分渗入岩土层中转化为壤中流与地下径
流地面径流壤中流与地下径流最后也流入海洋构成全球性统一的连续有序的动态大
系统水循环广及整个水圈并深入大气圈岩石圈及生物圈其循环路径并非单一的而是通
过无数条路线实现循环和相变的所以水循环系统是由无数不同尺度不同规模的局部水循环
所组合而成的复杂系统图１Ｇ１为全球海陆间水循环过程的概化图整个过程可分解为水汽蒸发水汽输送凝结
降水水分入渗地表和地下径流等五个基本环节这五个环节既相互联系相互影响又交错
并存相对独立并在不同的环境条件下呈现不同的组合在全球各地形成一系列不同规模的
地区水循环
(二)水循环机理
地球上的水分在交替循环过程中总是溶解并携带着某些物质一起运动如溶于水中的各
种化学元素气体以及泥沙等固体杂质等不过这些物质不可能像水分那样构成完整的循环
系统所以通常意义上的水文循环仅指水分循环简称水循环太阳辐射与重力作用是水循环的基本动力此动力不消失水循环将永恒存在水的物理
性质在常温常压条件下液态气态固态三相变化的特性是水循环的前提条件外部环境包括
第一章 水循环与水资源 ７
图１Ｇ１ 水循环示意图(图中数字为水循环各环节转化量单位为１０４km３)
地理纬度海陆分布地貌形态等则制约了水循环的路径规模与强度水循环遵循质量守恒定律整个循环过程保持着连续性从实质上说水循环是物质与能量
的传输储存和转化过程而且存在于每一环节在蒸发环节中伴随液态水转化为气态水的是
热能的消耗伴随着凝结降水的是潜热的释放所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过
程据测算全球海陆日平均蒸发量为１1049008５８times１０１３m３是长江全年入海径流量的１1049008６倍蒸发这
些水汽的总耗热量高达３1049008８７８times１０２１J如折合电能为１０1049008７７times１０１４kW1048944h所以地面潜热交换成为
大气热量的主要来源由降水转化为地面与地下径流的过程则是势能转化为动能的过程这
些动能成为水流的动力消耗于沿途的冲刷搬运和堆积作用直到注入海洋才消耗殆尽
(三)流域水循环
在全球尺度上水循环是一个闭合的系统但是就流域的角度看水循环则是多个环节有
机耦合并外部开放的巨系统对于流域大气系统系统输入为流域外水汽输入系统输出为流
域内水汽输出蓄变量为流域大气水汽蓄变量对于流域地面系统而言系统输入为流域降水非闭合流域还有流域外地表水和地下水入流系统输出为流域内径流和蒸发蓄变量为流域地
表水蓄变量对于流域土壤系统而言系统输入为流域土壤入渗系统输出为流域土壤蒸发植被散发地下水上升蒸发土壤渗入地下水的补给和壤中出流蓄变量为流域土壤水蓄变量对于流域地下水系统而言系统输入为土壤渗入地下水的降水补给河渠水的渗入地表蓄水渗
漏越流补给灌溉回归水补给非闭合流域侧渗和区外含水层流入系统输出为地下水上升蒸
发地下水河道排泄地下出流和越流排泄蓄变量为流域地下水蓄变量流域水循环作为水循环特定空间范围内的一种具体实现是由一系列微观尺度的水循环过
程嵌套而成的同时作为陆地水循环和全球水循环的一个组成部分流域水循环及其演变过程
又受控于全球水循环的一般形势但是就流域水循环的结构看则大多表现为一个多层嵌套的
级联系统总体上看流域水循环包括降水蒸发下渗以及从上游到下游的产汇流过程但对
流域的局部地区(如支流或蓄水体)而言同时也是一个包含上述各水循环过程的开放系统
８ 流域水文学
三影响水循环的因素
影响水循环的因素很多一般可归纳为四大类气象因素如温度湿度风速风向等自然地理条件如地形地貌地质构造土壤和植被情况等人类活动包括各种水利措施农业措
施和水土保持措施等地理位置在这四类因素中气象因素是主要的起主导作用的因为在水循环的四个环节中有三个
(蒸发水汽输送降水)环节取决于气象条件径流虽受地形地貌地质构造土壤和植被等下
垫面条件的影响但径流的形成及其时空变化在很大程度上仍取决于气象条件自然地理条
件主要是通过蒸发和径流来影响水分循环有利于蒸发的地区水循环活跃而有利于径流的
地区则不利于水分循环人类活动对水分循环的影响主要表现在调节径流影响蒸发和降
水等水分循环环节上总之人类活动是通过改变下垫面条件来影响水分循环各环节的
第二节 水 量 平 衡
一水量平衡原理
水量平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体体现也是水循环得以存在的基础根据
物质不灭定律在水循环过程中对于任意选择的区域(或水体)在任意时段内其收入水量与
支出水量之间的差额等于该时段区域(或水体)内蓄水量的变化量即水在循环过程中从总体
上保持收支平衡水量平衡是研究水文现象的基本方法通过水量平衡可对水循环建立定量概念从而了解
各循环要素之间的定量关系水量平衡的基本方程为
I－O＝W２－W１＝ΔW (１Ｇ１)
式中I为给定时段内输入区域(或水体)的水量(mm 或 m３)O 为给定时段内输出区域(或水
体)的水量(mm 或 m３)W１W２ 为给定时段始末区域(或水体)的蓄水量(mm 或 m３)ΔW 为
时段内蓄水量的变化量ΔW＞０表示区域蓄水量增加ΔW＜０表示蓄水量减少(mm 或 m３)从本质上说水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现也是地球上水循环能
够持续不断进行下去的基本前提水循环是地球上客观存在的自然现象水量平衡是水循环
内在的规律水量平衡方程式则是水循环的数学表达式
二通用水量平衡方程
基于水量平衡原理以地面的某个部分作为研究对象这部分地面具有湖泊沼泽等水体并交错许多进出水道沿这部分地面的边界想象做出一个垂直的柱体柱体底部为地面以下
某一深度的水平面并假设该水平面上下的水量不进行交换根据水量平衡原理可知在某一
定时段内进入该区域的水量减去该柱体流出的水量应当等于该柱体内的蓄水变化量该区域水量收入部分包括以下各项①时段内的降水量P②时段内的凝结量X指水分
蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由河流流入的径流量ΣR地面入 ④由地下流入的径
流量ΣR地下入 ⑤柱体内时段初始蓄水量W 初 该区域水量支出部分包括以下各项①水分蒸发量E②由河流流出的径流量 ΣR地面出
第一章 水循环与水资源 ９
时段内的凝结量 X指水分蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由地下流出的径流
ΣR地下出 ④柱体内时段末期蓄水量W 末 ⑤用水量Y由此可列出任意区域在任意时段的通用水量平衡方程式为
P＋X ＋sumR地面入 ＋sumR地下入 ＋W 初 ＝E＋sumR地面出 ＋sumR地下出 ＋W 末 ＋Y
(１Ｇ２)
三流域水量平衡方程
对于一个天然闭合流域其地面分水线与地下分水线一致(分水线概念见第２章)则不可
能有水从外流域经地表或地下流入故通用水量平衡方程中ΣR地面入 和ΣR地下入 均为０凝结
量X 并入降水中计算令流出的总水量为R即
R＝sumR地面出 ＋sumR地下出 (１Ｇ３)
则有
P＝E＋R＋Y＋ΔW (１Ｇ４)
式中Y 为流域内国民经济的用水量包括灌溉用水量工业用水量外区域引水量及其他用水
量其中灌溉耗水量消耗于蒸发可计入流域总蒸发E 之中另一部分工业净耗水量消耗于蒸
发一部分是产品带水消耗于蒸发也计入E 之中而带水产品数量则很小可略去不计所以
闭合流域给定时段的水量平衡方程可写为
P＝E＋R＋ΔW (１Ｇ５)
如果所取的计算时段为一年则上式为闭合流域年水量平衡方程ΔW 为年初与年终流域
蓄水量的变化量如ΔW＞０则表示年内的降水一部分消耗于径流和蒸发其余则储蓄在流域
之内ΔW＜０表示年内径流蒸发不仅来自降水还有一部分来自流域原有的蓄水量对于多年平均来说流域内蓄水量变化量的均值近似为零即ΔW＝０故闭合流域多年平
均水量平衡方程为
P－
＝E－＋R
－ (１Ｇ６)
式中P－为多年平均降水量(mm 或 m３)R
－为多年平均径流量(mm 或 m３)E
－为多年平均蒸发
量(mm 或 m３)可见对于闭合流域多年平均流域的降水量等于多年平均径流量与多年平均蒸发量之和
PER 是水量平衡中的三个基本要素已知其中任意两项据此即可推求第三项值对于非闭合流域或较小流域地面与地下分水线不一致有一部分水量以渗流方式流至外
流域这种情况式(１Ｇ６)不成立应改写为
P＝E＋R＋ΔRprime＋ΔW (１Ｇ７)
式中ΔRprime为流域间水量交换量(mm 或 m３)其余符号同前有时也可以以径流量蒸发量对降水量的相对值来反映流域的水文特性式(１Ｇ６)两边除
以P－可得
E－
P－ ＋
R－
P－ ＝１ (１Ｇ８)
令R－
P－ ＝α０
E－
P－ ＝β０
１０ 流域水文学
则 α０＋β０＝１ (１Ｇ９)式中α０ 为多年平均径流系数β０ 为多年平均蒸发系数
α０β０ 反映了一个地区的气候和下垫面特性对于湿润地区α０ 较大可大于０1049008５干旱地
区α０ 较小有的只有百分之几而β０ 正好相反
第三节 水 资 源
一水资源的内涵
水是宝贵的自然资源也是自然生态环境中最积极最活跃的因素同时水又是人类生存
和社会经济活动的基本条件其应用价值表现为水量水质及水能三个方面地球上的水资源广义来说是指水圈内所有水包括海洋河流湖泊沼泽冰川土壤
水地下水及大气水都是人类宝贵的财富但是对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰
川限于当前的经济技术条件目前大规模开发利用还有许多困难狭义的水资源不同于自然界的水体它仅仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利
用的那一部分动态水体这种开发利用不仅目前技术上可能而且经济上合理且对生态环
境可能造成的影响也是可接受的这种水资源主要指河流湖泊地下水和土壤水等淡水一些区域还包括微咸水
需要说明的是土壤水虽然不能直接用于工业城镇供水但它是植物生长必不可少的条
件可以直接被植物吸收所以土壤水也应属于水资源范畴至于大气降水它不仅是径流形
成的最重要因素也是淡水资源的最主要甚至唯一的补给来源
二水资源特性
狭义而言水资源主要指水循环周期内可以恢复再生的能为人类直接利用的淡水资源它具有如下特征
(１)水资源的可再生性水资源与其他固体资源的本质区别在于其流动性是在循环中
形成的一种动态资源水资源在开采利用后能够得到大气降水的补给处在不断地开采补给和消耗恢复的循环之中
(２)储量有限性水资源处在不断地消耗和补充过程中在某种意义上水资源具有ldquo取之
不尽rdquo的特点恢复性强但实际上淡水资源储量是十分有限的且淡水资源大部分储存在极
地冰帽和冰川中真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的０1049008００７６８从水
量动态平衡的观点来看某一期间的水量消耗量应接近于该期间的水量补给量否则将会破坏
水平衡造成一系列环境问题可见水资源过程是无限的水资源储量是有限的并非取之不
尽用之不竭(３)时空分布不均匀性水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布特征时空分布的
不均匀性是水资源的又一特性我国水资源在区域上分布极不均匀总体来说东南多西北
少沿海多内陆少山区多平原少在同一地区中不同时间分布差异性很大一般是夏多冬少(４)因果随机性自然界中可更新的水资源主要来源于大气降水和融雪水其循环转换
具有因果关系由于大气降水和融雪水在时空上存在随机性导致水资源转化过程中有随机
性如某一区域既有丰平枯三种年型又有连枯连丰情况一年当中还有枯水期和丰水期这种变化都是随机的具有一定统计规律
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２ 流域水文学
和标准使工程既经济合理又安全可靠水土保持径流泥沙观测和流域泥沙输移是研究水
土流失规律及小流域综合治理效益不可缺少的内容它为学习者提供了研究方法和技能
二水文现象的特征
水文现象受气候和自然地理因素的综合影响而这些因素的组合和变化决定了水文规律时空分布变化上具有以下特点
１1049008时程上的周期性与随机性
所谓周期性是指水文现象的过程大致以某一时段为循环周期例如河流的水量变化在一年中有丰水期(汛期)和枯水期尽管各年的总水量有大有小但各年的丰枯交替过程是相
似的形成上述周期变化的原因主要是地球公转及自转地球和月球的相对运动以及太阳黑
子的周期性运动所导致的昼夜四季交替的影响所致水文现象的周期性不像数学上的周期函数那样各周期的变化过程和相应数值完全重复
的出现水文现象周期性只是表现在不同时期内其数量在时程上的变化趋势大致相似虽然河流每年均会出现汛期或枯水期但是每年汛期和枯水期出现的时间水量和过程通
常是不会完全重复的即每年汛期出现的时间和量值具有随机性各周期相应过程上的数值
及各种水文特征值具有偶然性例如一条河流在不同年份的流量过程虽然都有相似的丰
枯交替变化但不会完全相同这是因为影响水文现象的因素众多各因素本身在时间上也在
不断地变化并且相互作用相互制约对于具有随机性特点的各种水文特征值主要应用数
理统计和概论理论来研究其变化规律因此在时间上水文现象的周期性既是必然的又是偶然的有确定性的一面又有随机性
的一面
２1049008地区上的相似性与特殊性
水文现象在地区分布上既存在相似性又存在特殊性不同的流域如果所处的地理位置
(纬度距海远近等)相似由于纬度地带性的影响水文现象也就具有一定程度的相似性例
如我国南方湿润区的河流水量充沛年内分配较均匀含沙量较小而北方干旱地区的河流
则水量不足年内分配不均含沙量大地带相似性反映水文现象在空间变化上存在确定性的
一面有些流域虽然所处的地理位置和气候条件相似但流域的下垫面条件存在差异水文现象
就会有很大的差异水文变化规律在某些方面具有各自的特殊性这就是水文现象的特殊性如同一气候地区山区河流的洪水过程陡涨陡落洪水历时短而平原区河流的洪水过程涨落
平缓洪水历时长植被较好的流域洪水过程平缓径流年内分配均匀河流泥沙较少而植被
较差的流域则相反这种局部性的变化反映水文现象在空间变化上也存在不确定性的一面总的来说水文现象与其他自然现象一样无论在时间或空间上均同时存在确定性和不确
定性
三研究方法
１1049008水文学的研究特点
水文循环是自然界各种水体的存在条件和相互联系的纽带是水的各种运动变化形式的
总和是水文科学研究的主要对象和核心内容而在水文循环过程中水文现象所表现出的特
点决定了水文科学研究的特点
绪 论 ３
首先水文科学把各种水文现象作为一个整体并把它们同大气圈岩石圈生物圈和人
类活动对它们的影响结合起来进行研究例如在借助水量平衡方法研究某个流域的水量变
化时既要考虑流域周围大气中水汽输送也要考虑流域上空大气中水分含量的变化既要考
虑降水也要考虑蒸发既要考虑流域的地面径流也要考虑流域土壤含水量和流域内外地下
水的交换而且还要考虑流域内水利工程以及其他人类活动的影响其次水文科学主要根据已有的水文资料预测或预估水文情势未来状况直接为人类的
生活和生产服务例如提供洪水预报和各种水情预报对旱涝灾害的发生做出中长期预测为水利工程在未来运转时期中可能遇到的特大洪水做出概率预估等
同时水文科学主要靠建立的水文观测站网通过对自然界已发生的水文现象的观测进行
分析和研究各种水文实验除少数在实验室内进行以外主要是在自然界中如在实验流域
中进行
２1049008水文现象的研究方法
根据水文现象的基本特点按不同的目的和要求水文现象研究方法有３种
１)成因分析法 根据实测的水文资料对各种水文现象研究其发生和形成过程揭露
各物理环节间的内在联系建立水文现象各要素间的定性与定量关系即寻求各种水文现象的
成因规律这种方法称为成因分析法如对径流的成因研究一般是选择有代表性的实验流域通过对降雨蒸发下渗径流等
要素的观测研究由降雨到径流过程间各环节的物理机制定量转换规律从而得出降雨与径
流量之间以及降雨过程与径流过程之间的定量关系这在水文计算和水文预报中有重大的应
用价值成因分析法是建立在水文过程的物理基础之上比单纯用经验方法或统计方法要完善的
多但目前对某些水文现象的认识还不是很清楚特别是对水文过程各环节所有要素值不能全
部通过观测得到还缺乏合理的定量方法所以即使采用成因分析法仍不免把经验处理和统
计分析作为辅助手段
２)统计分析法 水文现象特征值的出现具有随机性如年径流量年降水量年最大洪
峰流量等均可视为随机变量对于长期的水文观测资料可利用数理统计方法求得水文特征
的统计规律从而对水文特征值做出超长期的概率预估为工程设计管理提供可靠依据还可
应用统计分析水文现象之间水文现象与其影响因素之间的相关分析据以建立经验相关关
系该方法广泛应用于水文分析计算水文预报之中
３)地理综合法 根据水文现象特征值具有地带性规律的特点可以对各测站水文要素
的特征值在消除其非地带性因素后绘制各种水文特征值的等值线图此等值线图可用来推
求无实测资料区域的特征值有时也可用各测站的水文特征值与所在流域的自然地理特征值
(如流域面积河道平均坡度等)之间建立地区经验公式推求无资料相似流域的水文特征值如甲乙两地区的气候和自然地理条件都相似水文现象也相似则可将甲地区的水文特征
值直接移用到乙地区这种方法通常称为水文比拟法也属于地理综合法地理综合法特别适用于无资料(资料不全)地区的各种水文计算和水资源评价另外在测
站布设时如果充分考虑水文现象的地带性规律的特点则可以用最少的测站观测到的资料去解决各种自然地理特点流域的水文计算问题
４ 流域水文学
四课程性质及教学目的要求
水土保持学科是以水土流失成因为基础以水土保持措施设计布局为手段实现防治水
土流失提高水土资源利用效率的目标最终达到建立良好生态环境目的的一门应用技术学
科laquo流域水文学raquo课程对学生理解土壤侵蚀过程径流泥沙测验和水土保持措施规划设计与
布设等均有重要作用故它一直是水土保持专业教学中的一门必修学科基础课针对水土
保持专业的laquo流域水文学raquo课程教学应重点培养学生具备扎实的水文学理论基础和基本应用
能力扎实的理论基础应包括水文学基本特点及研究方法水文循环河川径流的形成及其影响
因素以及产汇流基本理论等基本应用能力应包括水土保持水文信息收集产汇流计算设计
径流及设计洪水计算等laquo流域水文学raquo课程以坡面降雨径流侵蚀产沙和水土保持措施水文效应为主线要求学生
重点掌握坡面产流规律设计径流计算小流域设计洪水计算和水土保持径流泥沙观测等熟悉设计洪水的计算了解水土保持措施的水文效应基于以上几点教学内容本教材由下列４部分组成
(１)水文学基本原理部分主要阐述水文循环基本过程影响因素各要素的物理机制和
分析计算方法水量平衡原理及其应用以及水文循环的作用效应等(２)产汇流基本知识部分主要从成因分析角度阐述产流机制产流模式产流计算汇流
计算(３)设计径流计算部分主要从水文统计角度利用水文频率计算确定设计年径流量由
流量资料推求设计洪水和由降雨资料推求设计洪水的基本方法介绍小流域设计洪水方法(４)水土保持径流泥沙观测与估算部分主要介绍通过水土保持径流泥沙观测获取径流
泥沙资料的基本方法借助流域水文模型对水文规律进行模拟对未来一定时期的水文状态做
出定性和定量的预测分析水土保持措施对流域径流泥沙的影响
第一章 水循环与水资源
【内容提要】 自然界水体在太阳辐射作用下蒸发进入大气随气流输送输送中遇到适
当的条件形成降水部分形成径流以各种形式补给地球上的水体使得地球上的各类水资源
得以补充本章主要介绍水循环现象水量平衡原理和水资源基本概念
第一节 自然界的水循环
一地球上水的分布
水是地球上分布最为广泛的物质之一它以气态液态和固态三种形式存在于空气地表
与地下成为大气水海水和陆地水并和存在于所有动植物有机体内的生物水组成了一个
统一的相互联系的水圈地球上的水水平分布面积很广垂直分布则存在于大气圈生物圈岩石圈之中其水量
非常丰富约为１３1049008８６times１０８km３所以地球有ldquo水的行星rdquo之称(表１Ｇ１)
表１Ｇ１ 全球的水储量
水体水储量 咸水 淡水
１０３km３ １０３km３ １０３km３
海洋水 １３３８０００1049008０ ９６1049008５４ １３３８０００ ９９1049008０４ mdash mdash
冰川与永久雪盖 ２４０６４1049008１ １1049008７４ mdash mdash ２４０６４1049008１ ６８1049008７０
地下水 ２３４００1049008０ １1049008６９ １２８７０ ０1049008９５ １０５３０1049008０ ３０1049008０６
永冻土底冰 ３００1049008０ ０1049008０２ mdash mdash ３００1049008０ ０1049008８６
湖泊水 １７６1049008４ ０1049008０１３ ８５1049008４ ０1049008００６ ９１1049008０ ０1049008２６
土壤水 １６1049008５ ０1049008００１ mdash mdash １６1049008５ ０1049008０４７
大气水 １２1049008９ ０1049008０００９ mdash mdash １２1049008９ ０1049008０３７
沼泽水 １１1049008５ ０1049008０００８ mdash mdash １１1049008５ ０1049008０３３
河流水 ２1049008１２ ０1049008０００２ mdash mdash ２1049008１２ ０1049008００６
生物水 １1049008１２ ０1049008０００１ mdash mdash １1049008１２ ０1049008００３
总 计 １３８５９８４1049008６ １００ １３５０９５５1049008４ １００ ３５０２９1049008２ １００
资料来源贺伟程1049008１９９２1049008世界水资源水利1049008中国水利大百科全书1049008北京中国大百科全书出版社
海水世界上海洋的面积为３1049008６１times１０８km２占地球表面积的７１海水的体积为１1049008３４times１０８km３占地球总储水量的９６1049008５
地下水地下水通常是指储存在地壳含水层中的重力水总储量为２1049008３４times１０７km３其中
地下淡水的储量为１1049008０５times１０７km３土壤水土壤水是指储存于地表最上部约２m 厚土层内的水当土层的平均湿度为
１０相当于含水深度为０1049008２m如果以陆地上土层覆盖总面积８２００万km２ 计算那么土壤水
的储量为１1049008６５times１０６km３
６ 流域水文学
冰雪水陆地上现代冰川的总面积超过１1049008６times１０７km２总体积为２1049008７times１０７km３若以冰的
密度９００kgm３ 计算折合成液态水约为２1049008４times１０７km３为地表河流湖泊总储水量的１２７倍湖泊水世界上大小湖泊多达数百万个全球湖泊水总储量为１1049008７６times１０７km３其中淡水储
量０1049008９１times１０７km３沼泽水沼泽水是一种特殊的水体没有开阔的水域只是陆地上层土壤中含有大量停滞
水分的过湿地段地球上沼泽的总面积约为２1049008６８times１０６km２总储水量约为１1049008１５times１０４km３河流水由于河水不停地流动全世界河床静储水量为２１２０km３占地球上总储水量
的０1049008０００２生物水生物水是指生物有机体中所含的水分据计算全球生物水的总量为１１２０km３
占地球总储水量的０1049008０００１大气水地表之上大气中的水汽来自地球表面各种水体水面的蒸发土壤蒸发及植物散
发并借助空气的垂直交换向上输送一般说来空气中的水汽含量随高度的增大而减少大
气水在７km 以内总量约有１２９００km３折合成水深约为２５mm仅占地球总水量的０1049008００１虽然数量不多但活动能力却很强是云雨雪雹霰雷闪电的根源
二水循环现象
(一)水循环基本过程
水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射地心引力等作用下通过蒸发水汽输送凝结降水下渗以及径流等环节不断地发生相态转换和周而复始运动的过程
从全球整体角度来说水循环过程可以设想从海洋的蒸发开始蒸发的水汽升入空中并被气流输送至各地其中大部分留在海洋上空少部分深入内陆在适当条件下这些水汽凝
结成为降水海面上的降水直接回归海洋而降落到陆地表面的雨雪除重新蒸发升入空中的
水汽外一部分成为地面径流补给江河湖泊另一部分渗入岩土层中转化为壤中流与地下径
流地面径流壤中流与地下径流最后也流入海洋构成全球性统一的连续有序的动态大
系统水循环广及整个水圈并深入大气圈岩石圈及生物圈其循环路径并非单一的而是通
过无数条路线实现循环和相变的所以水循环系统是由无数不同尺度不同规模的局部水循环
所组合而成的复杂系统图１Ｇ１为全球海陆间水循环过程的概化图整个过程可分解为水汽蒸发水汽输送凝结
降水水分入渗地表和地下径流等五个基本环节这五个环节既相互联系相互影响又交错
并存相对独立并在不同的环境条件下呈现不同的组合在全球各地形成一系列不同规模的
地区水循环
(二)水循环机理
地球上的水分在交替循环过程中总是溶解并携带着某些物质一起运动如溶于水中的各
种化学元素气体以及泥沙等固体杂质等不过这些物质不可能像水分那样构成完整的循环
系统所以通常意义上的水文循环仅指水分循环简称水循环太阳辐射与重力作用是水循环的基本动力此动力不消失水循环将永恒存在水的物理
性质在常温常压条件下液态气态固态三相变化的特性是水循环的前提条件外部环境包括
第一章 水循环与水资源 ７
图１Ｇ１ 水循环示意图(图中数字为水循环各环节转化量单位为１０４km３)
地理纬度海陆分布地貌形态等则制约了水循环的路径规模与强度水循环遵循质量守恒定律整个循环过程保持着连续性从实质上说水循环是物质与能量
的传输储存和转化过程而且存在于每一环节在蒸发环节中伴随液态水转化为气态水的是
热能的消耗伴随着凝结降水的是潜热的释放所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过
程据测算全球海陆日平均蒸发量为１1049008５８times１０１３m３是长江全年入海径流量的１1049008６倍蒸发这
些水汽的总耗热量高达３1049008８７８times１０２１J如折合电能为１０1049008７７times１０１４kW1048944h所以地面潜热交换成为
大气热量的主要来源由降水转化为地面与地下径流的过程则是势能转化为动能的过程这
些动能成为水流的动力消耗于沿途的冲刷搬运和堆积作用直到注入海洋才消耗殆尽
(三)流域水循环
在全球尺度上水循环是一个闭合的系统但是就流域的角度看水循环则是多个环节有
机耦合并外部开放的巨系统对于流域大气系统系统输入为流域外水汽输入系统输出为流
域内水汽输出蓄变量为流域大气水汽蓄变量对于流域地面系统而言系统输入为流域降水非闭合流域还有流域外地表水和地下水入流系统输出为流域内径流和蒸发蓄变量为流域地
表水蓄变量对于流域土壤系统而言系统输入为流域土壤入渗系统输出为流域土壤蒸发植被散发地下水上升蒸发土壤渗入地下水的补给和壤中出流蓄变量为流域土壤水蓄变量对于流域地下水系统而言系统输入为土壤渗入地下水的降水补给河渠水的渗入地表蓄水渗
漏越流补给灌溉回归水补给非闭合流域侧渗和区外含水层流入系统输出为地下水上升蒸
发地下水河道排泄地下出流和越流排泄蓄变量为流域地下水蓄变量流域水循环作为水循环特定空间范围内的一种具体实现是由一系列微观尺度的水循环过
程嵌套而成的同时作为陆地水循环和全球水循环的一个组成部分流域水循环及其演变过程
又受控于全球水循环的一般形势但是就流域水循环的结构看则大多表现为一个多层嵌套的
级联系统总体上看流域水循环包括降水蒸发下渗以及从上游到下游的产汇流过程但对
流域的局部地区(如支流或蓄水体)而言同时也是一个包含上述各水循环过程的开放系统
８ 流域水文学
三影响水循环的因素
影响水循环的因素很多一般可归纳为四大类气象因素如温度湿度风速风向等自然地理条件如地形地貌地质构造土壤和植被情况等人类活动包括各种水利措施农业措
施和水土保持措施等地理位置在这四类因素中气象因素是主要的起主导作用的因为在水循环的四个环节中有三个
(蒸发水汽输送降水)环节取决于气象条件径流虽受地形地貌地质构造土壤和植被等下
垫面条件的影响但径流的形成及其时空变化在很大程度上仍取决于气象条件自然地理条
件主要是通过蒸发和径流来影响水分循环有利于蒸发的地区水循环活跃而有利于径流的
地区则不利于水分循环人类活动对水分循环的影响主要表现在调节径流影响蒸发和降
水等水分循环环节上总之人类活动是通过改变下垫面条件来影响水分循环各环节的
第二节 水 量 平 衡
一水量平衡原理
水量平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体体现也是水循环得以存在的基础根据
物质不灭定律在水循环过程中对于任意选择的区域(或水体)在任意时段内其收入水量与
支出水量之间的差额等于该时段区域(或水体)内蓄水量的变化量即水在循环过程中从总体
上保持收支平衡水量平衡是研究水文现象的基本方法通过水量平衡可对水循环建立定量概念从而了解
各循环要素之间的定量关系水量平衡的基本方程为
I－O＝W２－W１＝ΔW (１Ｇ１)
式中I为给定时段内输入区域(或水体)的水量(mm 或 m３)O 为给定时段内输出区域(或水
体)的水量(mm 或 m３)W１W２ 为给定时段始末区域(或水体)的蓄水量(mm 或 m３)ΔW 为
时段内蓄水量的变化量ΔW＞０表示区域蓄水量增加ΔW＜０表示蓄水量减少(mm 或 m３)从本质上说水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现也是地球上水循环能
够持续不断进行下去的基本前提水循环是地球上客观存在的自然现象水量平衡是水循环
内在的规律水量平衡方程式则是水循环的数学表达式
二通用水量平衡方程
基于水量平衡原理以地面的某个部分作为研究对象这部分地面具有湖泊沼泽等水体并交错许多进出水道沿这部分地面的边界想象做出一个垂直的柱体柱体底部为地面以下
某一深度的水平面并假设该水平面上下的水量不进行交换根据水量平衡原理可知在某一
定时段内进入该区域的水量减去该柱体流出的水量应当等于该柱体内的蓄水变化量该区域水量收入部分包括以下各项①时段内的降水量P②时段内的凝结量X指水分
蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由河流流入的径流量ΣR地面入 ④由地下流入的径
流量ΣR地下入 ⑤柱体内时段初始蓄水量W 初 该区域水量支出部分包括以下各项①水分蒸发量E②由河流流出的径流量 ΣR地面出
第一章 水循环与水资源 ９
时段内的凝结量 X指水分蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由地下流出的径流
ΣR地下出 ④柱体内时段末期蓄水量W 末 ⑤用水量Y由此可列出任意区域在任意时段的通用水量平衡方程式为
P＋X ＋sumR地面入 ＋sumR地下入 ＋W 初 ＝E＋sumR地面出 ＋sumR地下出 ＋W 末 ＋Y
(１Ｇ２)
三流域水量平衡方程
对于一个天然闭合流域其地面分水线与地下分水线一致(分水线概念见第２章)则不可
能有水从外流域经地表或地下流入故通用水量平衡方程中ΣR地面入 和ΣR地下入 均为０凝结
量X 并入降水中计算令流出的总水量为R即
R＝sumR地面出 ＋sumR地下出 (１Ｇ３)
则有
P＝E＋R＋Y＋ΔW (１Ｇ４)
式中Y 为流域内国民经济的用水量包括灌溉用水量工业用水量外区域引水量及其他用水
量其中灌溉耗水量消耗于蒸发可计入流域总蒸发E 之中另一部分工业净耗水量消耗于蒸
发一部分是产品带水消耗于蒸发也计入E 之中而带水产品数量则很小可略去不计所以
闭合流域给定时段的水量平衡方程可写为
P＝E＋R＋ΔW (１Ｇ５)
如果所取的计算时段为一年则上式为闭合流域年水量平衡方程ΔW 为年初与年终流域
蓄水量的变化量如ΔW＞０则表示年内的降水一部分消耗于径流和蒸发其余则储蓄在流域
之内ΔW＜０表示年内径流蒸发不仅来自降水还有一部分来自流域原有的蓄水量对于多年平均来说流域内蓄水量变化量的均值近似为零即ΔW＝０故闭合流域多年平
均水量平衡方程为
P－
＝E－＋R
－ (１Ｇ６)
式中P－为多年平均降水量(mm 或 m３)R
－为多年平均径流量(mm 或 m３)E
－为多年平均蒸发
量(mm 或 m３)可见对于闭合流域多年平均流域的降水量等于多年平均径流量与多年平均蒸发量之和
PER 是水量平衡中的三个基本要素已知其中任意两项据此即可推求第三项值对于非闭合流域或较小流域地面与地下分水线不一致有一部分水量以渗流方式流至外
流域这种情况式(１Ｇ６)不成立应改写为
P＝E＋R＋ΔRprime＋ΔW (１Ｇ７)
式中ΔRprime为流域间水量交换量(mm 或 m３)其余符号同前有时也可以以径流量蒸发量对降水量的相对值来反映流域的水文特性式(１Ｇ６)两边除
以P－可得
E－
P－ ＋
R－
P－ ＝１ (１Ｇ８)
令R－
P－ ＝α０
E－
P－ ＝β０
１０ 流域水文学
则 α０＋β０＝１ (１Ｇ９)式中α０ 为多年平均径流系数β０ 为多年平均蒸发系数
α０β０ 反映了一个地区的气候和下垫面特性对于湿润地区α０ 较大可大于０1049008５干旱地
区α０ 较小有的只有百分之几而β０ 正好相反
第三节 水 资 源
一水资源的内涵
水是宝贵的自然资源也是自然生态环境中最积极最活跃的因素同时水又是人类生存
和社会经济活动的基本条件其应用价值表现为水量水质及水能三个方面地球上的水资源广义来说是指水圈内所有水包括海洋河流湖泊沼泽冰川土壤
水地下水及大气水都是人类宝贵的财富但是对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰
川限于当前的经济技术条件目前大规模开发利用还有许多困难狭义的水资源不同于自然界的水体它仅仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利
用的那一部分动态水体这种开发利用不仅目前技术上可能而且经济上合理且对生态环
境可能造成的影响也是可接受的这种水资源主要指河流湖泊地下水和土壤水等淡水一些区域还包括微咸水
需要说明的是土壤水虽然不能直接用于工业城镇供水但它是植物生长必不可少的条
件可以直接被植物吸收所以土壤水也应属于水资源范畴至于大气降水它不仅是径流形
成的最重要因素也是淡水资源的最主要甚至唯一的补给来源
二水资源特性
狭义而言水资源主要指水循环周期内可以恢复再生的能为人类直接利用的淡水资源它具有如下特征
(１)水资源的可再生性水资源与其他固体资源的本质区别在于其流动性是在循环中
形成的一种动态资源水资源在开采利用后能够得到大气降水的补给处在不断地开采补给和消耗恢复的循环之中
(２)储量有限性水资源处在不断地消耗和补充过程中在某种意义上水资源具有ldquo取之
不尽rdquo的特点恢复性强但实际上淡水资源储量是十分有限的且淡水资源大部分储存在极
地冰帽和冰川中真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的０1049008００７６８从水
量动态平衡的观点来看某一期间的水量消耗量应接近于该期间的水量补给量否则将会破坏
水平衡造成一系列环境问题可见水资源过程是无限的水资源储量是有限的并非取之不
尽用之不竭(３)时空分布不均匀性水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布特征时空分布的
不均匀性是水资源的又一特性我国水资源在区域上分布极不均匀总体来说东南多西北
少沿海多内陆少山区多平原少在同一地区中不同时间分布差异性很大一般是夏多冬少(４)因果随机性自然界中可更新的水资源主要来源于大气降水和融雪水其循环转换
具有因果关系由于大气降水和融雪水在时空上存在随机性导致水资源转化过程中有随机
性如某一区域既有丰平枯三种年型又有连枯连丰情况一年当中还有枯水期和丰水期这种变化都是随机的具有一定统计规律
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绪 论 ３
首先水文科学把各种水文现象作为一个整体并把它们同大气圈岩石圈生物圈和人
类活动对它们的影响结合起来进行研究例如在借助水量平衡方法研究某个流域的水量变
化时既要考虑流域周围大气中水汽输送也要考虑流域上空大气中水分含量的变化既要考
虑降水也要考虑蒸发既要考虑流域的地面径流也要考虑流域土壤含水量和流域内外地下
水的交换而且还要考虑流域内水利工程以及其他人类活动的影响其次水文科学主要根据已有的水文资料预测或预估水文情势未来状况直接为人类的
生活和生产服务例如提供洪水预报和各种水情预报对旱涝灾害的发生做出中长期预测为水利工程在未来运转时期中可能遇到的特大洪水做出概率预估等
同时水文科学主要靠建立的水文观测站网通过对自然界已发生的水文现象的观测进行
分析和研究各种水文实验除少数在实验室内进行以外主要是在自然界中如在实验流域
中进行
２1049008水文现象的研究方法
根据水文现象的基本特点按不同的目的和要求水文现象研究方法有３种
１)成因分析法 根据实测的水文资料对各种水文现象研究其发生和形成过程揭露
各物理环节间的内在联系建立水文现象各要素间的定性与定量关系即寻求各种水文现象的
成因规律这种方法称为成因分析法如对径流的成因研究一般是选择有代表性的实验流域通过对降雨蒸发下渗径流等
要素的观测研究由降雨到径流过程间各环节的物理机制定量转换规律从而得出降雨与径
流量之间以及降雨过程与径流过程之间的定量关系这在水文计算和水文预报中有重大的应
用价值成因分析法是建立在水文过程的物理基础之上比单纯用经验方法或统计方法要完善的
多但目前对某些水文现象的认识还不是很清楚特别是对水文过程各环节所有要素值不能全
部通过观测得到还缺乏合理的定量方法所以即使采用成因分析法仍不免把经验处理和统
计分析作为辅助手段
２)统计分析法 水文现象特征值的出现具有随机性如年径流量年降水量年最大洪
峰流量等均可视为随机变量对于长期的水文观测资料可利用数理统计方法求得水文特征
的统计规律从而对水文特征值做出超长期的概率预估为工程设计管理提供可靠依据还可
应用统计分析水文现象之间水文现象与其影响因素之间的相关分析据以建立经验相关关
系该方法广泛应用于水文分析计算水文预报之中
３)地理综合法 根据水文现象特征值具有地带性规律的特点可以对各测站水文要素
的特征值在消除其非地带性因素后绘制各种水文特征值的等值线图此等值线图可用来推
求无实测资料区域的特征值有时也可用各测站的水文特征值与所在流域的自然地理特征值
(如流域面积河道平均坡度等)之间建立地区经验公式推求无资料相似流域的水文特征值如甲乙两地区的气候和自然地理条件都相似水文现象也相似则可将甲地区的水文特征
值直接移用到乙地区这种方法通常称为水文比拟法也属于地理综合法地理综合法特别适用于无资料(资料不全)地区的各种水文计算和水资源评价另外在测
站布设时如果充分考虑水文现象的地带性规律的特点则可以用最少的测站观测到的资料去解决各种自然地理特点流域的水文计算问题
４ 流域水文学
四课程性质及教学目的要求
水土保持学科是以水土流失成因为基础以水土保持措施设计布局为手段实现防治水
土流失提高水土资源利用效率的目标最终达到建立良好生态环境目的的一门应用技术学
科laquo流域水文学raquo课程对学生理解土壤侵蚀过程径流泥沙测验和水土保持措施规划设计与
布设等均有重要作用故它一直是水土保持专业教学中的一门必修学科基础课针对水土
保持专业的laquo流域水文学raquo课程教学应重点培养学生具备扎实的水文学理论基础和基本应用
能力扎实的理论基础应包括水文学基本特点及研究方法水文循环河川径流的形成及其影响
因素以及产汇流基本理论等基本应用能力应包括水土保持水文信息收集产汇流计算设计
径流及设计洪水计算等laquo流域水文学raquo课程以坡面降雨径流侵蚀产沙和水土保持措施水文效应为主线要求学生
重点掌握坡面产流规律设计径流计算小流域设计洪水计算和水土保持径流泥沙观测等熟悉设计洪水的计算了解水土保持措施的水文效应基于以上几点教学内容本教材由下列４部分组成
(１)水文学基本原理部分主要阐述水文循环基本过程影响因素各要素的物理机制和
分析计算方法水量平衡原理及其应用以及水文循环的作用效应等(２)产汇流基本知识部分主要从成因分析角度阐述产流机制产流模式产流计算汇流
计算(３)设计径流计算部分主要从水文统计角度利用水文频率计算确定设计年径流量由
流量资料推求设计洪水和由降雨资料推求设计洪水的基本方法介绍小流域设计洪水方法(４)水土保持径流泥沙观测与估算部分主要介绍通过水土保持径流泥沙观测获取径流
泥沙资料的基本方法借助流域水文模型对水文规律进行模拟对未来一定时期的水文状态做
出定性和定量的预测分析水土保持措施对流域径流泥沙的影响
第一章 水循环与水资源
【内容提要】 自然界水体在太阳辐射作用下蒸发进入大气随气流输送输送中遇到适
当的条件形成降水部分形成径流以各种形式补给地球上的水体使得地球上的各类水资源
得以补充本章主要介绍水循环现象水量平衡原理和水资源基本概念
第一节 自然界的水循环
一地球上水的分布
水是地球上分布最为广泛的物质之一它以气态液态和固态三种形式存在于空气地表
与地下成为大气水海水和陆地水并和存在于所有动植物有机体内的生物水组成了一个
统一的相互联系的水圈地球上的水水平分布面积很广垂直分布则存在于大气圈生物圈岩石圈之中其水量
非常丰富约为１３1049008８６times１０８km３所以地球有ldquo水的行星rdquo之称(表１Ｇ１)
表１Ｇ１ 全球的水储量
水体水储量 咸水 淡水
１０３km３ １０３km３ １０３km３
海洋水 １３３８０００1049008０ ９６1049008５４ １３３８０００ ９９1049008０４ mdash mdash
冰川与永久雪盖 ２４０６４1049008１ １1049008７４ mdash mdash ２４０６４1049008１ ６８1049008７０
地下水 ２３４００1049008０ １1049008６９ １２８７０ ０1049008９５ １０５３０1049008０ ３０1049008０６
永冻土底冰 ３００1049008０ ０1049008０２ mdash mdash ３００1049008０ ０1049008８６
湖泊水 １７６1049008４ ０1049008０１３ ８５1049008４ ０1049008００６ ９１1049008０ ０1049008２６
土壤水 １６1049008５ ０1049008００１ mdash mdash １６1049008５ ０1049008０４７
大气水 １２1049008９ ０1049008０００９ mdash mdash １２1049008９ ０1049008０３７
沼泽水 １１1049008５ ０1049008０００８ mdash mdash １１1049008５ ０1049008０３３
河流水 ２1049008１２ ０1049008０００２ mdash mdash ２1049008１２ ０1049008００６
生物水 １1049008１２ ０1049008０００１ mdash mdash １1049008１２ ０1049008００３
总 计 １３８５９８４1049008６ １００ １３５０９５５1049008４ １００ ３５０２９1049008２ １００
资料来源贺伟程1049008１９９２1049008世界水资源水利1049008中国水利大百科全书1049008北京中国大百科全书出版社
海水世界上海洋的面积为３1049008６１times１０８km２占地球表面积的７１海水的体积为１1049008３４times１０８km３占地球总储水量的９６1049008５
地下水地下水通常是指储存在地壳含水层中的重力水总储量为２1049008３４times１０７km３其中
地下淡水的储量为１1049008０５times１０７km３土壤水土壤水是指储存于地表最上部约２m 厚土层内的水当土层的平均湿度为
１０相当于含水深度为０1049008２m如果以陆地上土层覆盖总面积８２００万km２ 计算那么土壤水
的储量为１1049008６５times１０６km３
６ 流域水文学
冰雪水陆地上现代冰川的总面积超过１1049008６times１０７km２总体积为２1049008７times１０７km３若以冰的
密度９００kgm３ 计算折合成液态水约为２1049008４times１０７km３为地表河流湖泊总储水量的１２７倍湖泊水世界上大小湖泊多达数百万个全球湖泊水总储量为１1049008７６times１０７km３其中淡水储
量０1049008９１times１０７km３沼泽水沼泽水是一种特殊的水体没有开阔的水域只是陆地上层土壤中含有大量停滞
水分的过湿地段地球上沼泽的总面积约为２1049008６８times１０６km２总储水量约为１1049008１５times１０４km３河流水由于河水不停地流动全世界河床静储水量为２１２０km３占地球上总储水量
的０1049008０００２生物水生物水是指生物有机体中所含的水分据计算全球生物水的总量为１１２０km３
占地球总储水量的０1049008０００１大气水地表之上大气中的水汽来自地球表面各种水体水面的蒸发土壤蒸发及植物散
发并借助空气的垂直交换向上输送一般说来空气中的水汽含量随高度的增大而减少大
气水在７km 以内总量约有１２９００km３折合成水深约为２５mm仅占地球总水量的０1049008００１虽然数量不多但活动能力却很强是云雨雪雹霰雷闪电的根源
二水循环现象
(一)水循环基本过程
水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射地心引力等作用下通过蒸发水汽输送凝结降水下渗以及径流等环节不断地发生相态转换和周而复始运动的过程
从全球整体角度来说水循环过程可以设想从海洋的蒸发开始蒸发的水汽升入空中并被气流输送至各地其中大部分留在海洋上空少部分深入内陆在适当条件下这些水汽凝
结成为降水海面上的降水直接回归海洋而降落到陆地表面的雨雪除重新蒸发升入空中的
水汽外一部分成为地面径流补给江河湖泊另一部分渗入岩土层中转化为壤中流与地下径
流地面径流壤中流与地下径流最后也流入海洋构成全球性统一的连续有序的动态大
系统水循环广及整个水圈并深入大气圈岩石圈及生物圈其循环路径并非单一的而是通
过无数条路线实现循环和相变的所以水循环系统是由无数不同尺度不同规模的局部水循环
所组合而成的复杂系统图１Ｇ１为全球海陆间水循环过程的概化图整个过程可分解为水汽蒸发水汽输送凝结
降水水分入渗地表和地下径流等五个基本环节这五个环节既相互联系相互影响又交错
并存相对独立并在不同的环境条件下呈现不同的组合在全球各地形成一系列不同规模的
地区水循环
(二)水循环机理
地球上的水分在交替循环过程中总是溶解并携带着某些物质一起运动如溶于水中的各
种化学元素气体以及泥沙等固体杂质等不过这些物质不可能像水分那样构成完整的循环
系统所以通常意义上的水文循环仅指水分循环简称水循环太阳辐射与重力作用是水循环的基本动力此动力不消失水循环将永恒存在水的物理
性质在常温常压条件下液态气态固态三相变化的特性是水循环的前提条件外部环境包括
第一章 水循环与水资源 ７
图１Ｇ１ 水循环示意图(图中数字为水循环各环节转化量单位为１０４km３)
地理纬度海陆分布地貌形态等则制约了水循环的路径规模与强度水循环遵循质量守恒定律整个循环过程保持着连续性从实质上说水循环是物质与能量
的传输储存和转化过程而且存在于每一环节在蒸发环节中伴随液态水转化为气态水的是
热能的消耗伴随着凝结降水的是潜热的释放所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过
程据测算全球海陆日平均蒸发量为１1049008５８times１０１３m３是长江全年入海径流量的１1049008６倍蒸发这
些水汽的总耗热量高达３1049008８７８times１０２１J如折合电能为１０1049008７７times１０１４kW1048944h所以地面潜热交换成为
大气热量的主要来源由降水转化为地面与地下径流的过程则是势能转化为动能的过程这
些动能成为水流的动力消耗于沿途的冲刷搬运和堆积作用直到注入海洋才消耗殆尽
(三)流域水循环
在全球尺度上水循环是一个闭合的系统但是就流域的角度看水循环则是多个环节有
机耦合并外部开放的巨系统对于流域大气系统系统输入为流域外水汽输入系统输出为流
域内水汽输出蓄变量为流域大气水汽蓄变量对于流域地面系统而言系统输入为流域降水非闭合流域还有流域外地表水和地下水入流系统输出为流域内径流和蒸发蓄变量为流域地
表水蓄变量对于流域土壤系统而言系统输入为流域土壤入渗系统输出为流域土壤蒸发植被散发地下水上升蒸发土壤渗入地下水的补给和壤中出流蓄变量为流域土壤水蓄变量对于流域地下水系统而言系统输入为土壤渗入地下水的降水补给河渠水的渗入地表蓄水渗
漏越流补给灌溉回归水补给非闭合流域侧渗和区外含水层流入系统输出为地下水上升蒸
发地下水河道排泄地下出流和越流排泄蓄变量为流域地下水蓄变量流域水循环作为水循环特定空间范围内的一种具体实现是由一系列微观尺度的水循环过
程嵌套而成的同时作为陆地水循环和全球水循环的一个组成部分流域水循环及其演变过程
又受控于全球水循环的一般形势但是就流域水循环的结构看则大多表现为一个多层嵌套的
级联系统总体上看流域水循环包括降水蒸发下渗以及从上游到下游的产汇流过程但对
流域的局部地区(如支流或蓄水体)而言同时也是一个包含上述各水循环过程的开放系统
８ 流域水文学
三影响水循环的因素
影响水循环的因素很多一般可归纳为四大类气象因素如温度湿度风速风向等自然地理条件如地形地貌地质构造土壤和植被情况等人类活动包括各种水利措施农业措
施和水土保持措施等地理位置在这四类因素中气象因素是主要的起主导作用的因为在水循环的四个环节中有三个
(蒸发水汽输送降水)环节取决于气象条件径流虽受地形地貌地质构造土壤和植被等下
垫面条件的影响但径流的形成及其时空变化在很大程度上仍取决于气象条件自然地理条
件主要是通过蒸发和径流来影响水分循环有利于蒸发的地区水循环活跃而有利于径流的
地区则不利于水分循环人类活动对水分循环的影响主要表现在调节径流影响蒸发和降
水等水分循环环节上总之人类活动是通过改变下垫面条件来影响水分循环各环节的
第二节 水 量 平 衡
一水量平衡原理
水量平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体体现也是水循环得以存在的基础根据
物质不灭定律在水循环过程中对于任意选择的区域(或水体)在任意时段内其收入水量与
支出水量之间的差额等于该时段区域(或水体)内蓄水量的变化量即水在循环过程中从总体
上保持收支平衡水量平衡是研究水文现象的基本方法通过水量平衡可对水循环建立定量概念从而了解
各循环要素之间的定量关系水量平衡的基本方程为
I－O＝W２－W１＝ΔW (１Ｇ１)
式中I为给定时段内输入区域(或水体)的水量(mm 或 m３)O 为给定时段内输出区域(或水
体)的水量(mm 或 m３)W１W２ 为给定时段始末区域(或水体)的蓄水量(mm 或 m３)ΔW 为
时段内蓄水量的变化量ΔW＞０表示区域蓄水量增加ΔW＜０表示蓄水量减少(mm 或 m３)从本质上说水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现也是地球上水循环能
够持续不断进行下去的基本前提水循环是地球上客观存在的自然现象水量平衡是水循环
内在的规律水量平衡方程式则是水循环的数学表达式
二通用水量平衡方程
基于水量平衡原理以地面的某个部分作为研究对象这部分地面具有湖泊沼泽等水体并交错许多进出水道沿这部分地面的边界想象做出一个垂直的柱体柱体底部为地面以下
某一深度的水平面并假设该水平面上下的水量不进行交换根据水量平衡原理可知在某一
定时段内进入该区域的水量减去该柱体流出的水量应当等于该柱体内的蓄水变化量该区域水量收入部分包括以下各项①时段内的降水量P②时段内的凝结量X指水分
蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由河流流入的径流量ΣR地面入 ④由地下流入的径
流量ΣR地下入 ⑤柱体内时段初始蓄水量W 初 该区域水量支出部分包括以下各项①水分蒸发量E②由河流流出的径流量 ΣR地面出
第一章 水循环与水资源 ９
时段内的凝结量 X指水分蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由地下流出的径流
ΣR地下出 ④柱体内时段末期蓄水量W 末 ⑤用水量Y由此可列出任意区域在任意时段的通用水量平衡方程式为
P＋X ＋sumR地面入 ＋sumR地下入 ＋W 初 ＝E＋sumR地面出 ＋sumR地下出 ＋W 末 ＋Y
(１Ｇ２)
三流域水量平衡方程
对于一个天然闭合流域其地面分水线与地下分水线一致(分水线概念见第２章)则不可
能有水从外流域经地表或地下流入故通用水量平衡方程中ΣR地面入 和ΣR地下入 均为０凝结
量X 并入降水中计算令流出的总水量为R即
R＝sumR地面出 ＋sumR地下出 (１Ｇ３)
则有
P＝E＋R＋Y＋ΔW (１Ｇ４)
式中Y 为流域内国民经济的用水量包括灌溉用水量工业用水量外区域引水量及其他用水
量其中灌溉耗水量消耗于蒸发可计入流域总蒸发E 之中另一部分工业净耗水量消耗于蒸
发一部分是产品带水消耗于蒸发也计入E 之中而带水产品数量则很小可略去不计所以
闭合流域给定时段的水量平衡方程可写为
P＝E＋R＋ΔW (１Ｇ５)
如果所取的计算时段为一年则上式为闭合流域年水量平衡方程ΔW 为年初与年终流域
蓄水量的变化量如ΔW＞０则表示年内的降水一部分消耗于径流和蒸发其余则储蓄在流域
之内ΔW＜０表示年内径流蒸发不仅来自降水还有一部分来自流域原有的蓄水量对于多年平均来说流域内蓄水量变化量的均值近似为零即ΔW＝０故闭合流域多年平
均水量平衡方程为
P－
＝E－＋R
－ (１Ｇ６)
式中P－为多年平均降水量(mm 或 m３)R
－为多年平均径流量(mm 或 m３)E
－为多年平均蒸发
量(mm 或 m３)可见对于闭合流域多年平均流域的降水量等于多年平均径流量与多年平均蒸发量之和
PER 是水量平衡中的三个基本要素已知其中任意两项据此即可推求第三项值对于非闭合流域或较小流域地面与地下分水线不一致有一部分水量以渗流方式流至外
流域这种情况式(１Ｇ６)不成立应改写为
P＝E＋R＋ΔRprime＋ΔW (１Ｇ７)
式中ΔRprime为流域间水量交换量(mm 或 m３)其余符号同前有时也可以以径流量蒸发量对降水量的相对值来反映流域的水文特性式(１Ｇ６)两边除
以P－可得
E－
P－ ＋
R－
P－ ＝１ (１Ｇ８)
令R－
P－ ＝α０
E－
P－ ＝β０
１０ 流域水文学
则 α０＋β０＝１ (１Ｇ９)式中α０ 为多年平均径流系数β０ 为多年平均蒸发系数
α０β０ 反映了一个地区的气候和下垫面特性对于湿润地区α０ 较大可大于０1049008５干旱地
区α０ 较小有的只有百分之几而β０ 正好相反
第三节 水 资 源
一水资源的内涵
水是宝贵的自然资源也是自然生态环境中最积极最活跃的因素同时水又是人类生存
和社会经济活动的基本条件其应用价值表现为水量水质及水能三个方面地球上的水资源广义来说是指水圈内所有水包括海洋河流湖泊沼泽冰川土壤
水地下水及大气水都是人类宝贵的财富但是对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰
川限于当前的经济技术条件目前大规模开发利用还有许多困难狭义的水资源不同于自然界的水体它仅仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利
用的那一部分动态水体这种开发利用不仅目前技术上可能而且经济上合理且对生态环
境可能造成的影响也是可接受的这种水资源主要指河流湖泊地下水和土壤水等淡水一些区域还包括微咸水
需要说明的是土壤水虽然不能直接用于工业城镇供水但它是植物生长必不可少的条
件可以直接被植物吸收所以土壤水也应属于水资源范畴至于大气降水它不仅是径流形
成的最重要因素也是淡水资源的最主要甚至唯一的补给来源
二水资源特性
狭义而言水资源主要指水循环周期内可以恢复再生的能为人类直接利用的淡水资源它具有如下特征
(１)水资源的可再生性水资源与其他固体资源的本质区别在于其流动性是在循环中
形成的一种动态资源水资源在开采利用后能够得到大气降水的补给处在不断地开采补给和消耗恢复的循环之中
(２)储量有限性水资源处在不断地消耗和补充过程中在某种意义上水资源具有ldquo取之
不尽rdquo的特点恢复性强但实际上淡水资源储量是十分有限的且淡水资源大部分储存在极
地冰帽和冰川中真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的０1049008００７６８从水
量动态平衡的观点来看某一期间的水量消耗量应接近于该期间的水量补给量否则将会破坏
水平衡造成一系列环境问题可见水资源过程是无限的水资源储量是有限的并非取之不
尽用之不竭(３)时空分布不均匀性水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布特征时空分布的
不均匀性是水资源的又一特性我国水资源在区域上分布极不均匀总体来说东南多西北
少沿海多内陆少山区多平原少在同一地区中不同时间分布差异性很大一般是夏多冬少(４)因果随机性自然界中可更新的水资源主要来源于大气降水和融雪水其循环转换
具有因果关系由于大气降水和融雪水在时空上存在随机性导致水资源转化过程中有随机
性如某一区域既有丰平枯三种年型又有连枯连丰情况一年当中还有枯水期和丰水期这种变化都是随机的具有一定统计规律
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４ 流域水文学
四课程性质及教学目的要求
水土保持学科是以水土流失成因为基础以水土保持措施设计布局为手段实现防治水
土流失提高水土资源利用效率的目标最终达到建立良好生态环境目的的一门应用技术学
科laquo流域水文学raquo课程对学生理解土壤侵蚀过程径流泥沙测验和水土保持措施规划设计与
布设等均有重要作用故它一直是水土保持专业教学中的一门必修学科基础课针对水土
保持专业的laquo流域水文学raquo课程教学应重点培养学生具备扎实的水文学理论基础和基本应用
能力扎实的理论基础应包括水文学基本特点及研究方法水文循环河川径流的形成及其影响
因素以及产汇流基本理论等基本应用能力应包括水土保持水文信息收集产汇流计算设计
径流及设计洪水计算等laquo流域水文学raquo课程以坡面降雨径流侵蚀产沙和水土保持措施水文效应为主线要求学生
重点掌握坡面产流规律设计径流计算小流域设计洪水计算和水土保持径流泥沙观测等熟悉设计洪水的计算了解水土保持措施的水文效应基于以上几点教学内容本教材由下列４部分组成
(１)水文学基本原理部分主要阐述水文循环基本过程影响因素各要素的物理机制和
分析计算方法水量平衡原理及其应用以及水文循环的作用效应等(２)产汇流基本知识部分主要从成因分析角度阐述产流机制产流模式产流计算汇流
计算(３)设计径流计算部分主要从水文统计角度利用水文频率计算确定设计年径流量由
流量资料推求设计洪水和由降雨资料推求设计洪水的基本方法介绍小流域设计洪水方法(４)水土保持径流泥沙观测与估算部分主要介绍通过水土保持径流泥沙观测获取径流
泥沙资料的基本方法借助流域水文模型对水文规律进行模拟对未来一定时期的水文状态做
出定性和定量的预测分析水土保持措施对流域径流泥沙的影响
第一章 水循环与水资源
【内容提要】 自然界水体在太阳辐射作用下蒸发进入大气随气流输送输送中遇到适
当的条件形成降水部分形成径流以各种形式补给地球上的水体使得地球上的各类水资源
得以补充本章主要介绍水循环现象水量平衡原理和水资源基本概念
第一节 自然界的水循环
一地球上水的分布
水是地球上分布最为广泛的物质之一它以气态液态和固态三种形式存在于空气地表
与地下成为大气水海水和陆地水并和存在于所有动植物有机体内的生物水组成了一个
统一的相互联系的水圈地球上的水水平分布面积很广垂直分布则存在于大气圈生物圈岩石圈之中其水量
非常丰富约为１３1049008８６times１０８km３所以地球有ldquo水的行星rdquo之称(表１Ｇ１)
表１Ｇ１ 全球的水储量
水体水储量 咸水 淡水
１０３km３ １０３km３ １０３km３
海洋水 １３３８０００1049008０ ９６1049008５４ １３３８０００ ９９1049008０４ mdash mdash
冰川与永久雪盖 ２４０６４1049008１ １1049008７４ mdash mdash ２４０６４1049008１ ６８1049008７０
地下水 ２３４００1049008０ １1049008６９ １２８７０ ０1049008９５ １０５３０1049008０ ３０1049008０６
永冻土底冰 ３００1049008０ ０1049008０２ mdash mdash ３００1049008０ ０1049008８６
湖泊水 １７６1049008４ ０1049008０１３ ８５1049008４ ０1049008００６ ９１1049008０ ０1049008２６
土壤水 １６1049008５ ０1049008００１ mdash mdash １６1049008５ ０1049008０４７
大气水 １２1049008９ ０1049008０００９ mdash mdash １２1049008９ ０1049008０３７
沼泽水 １１1049008５ ０1049008０００８ mdash mdash １１1049008５ ０1049008０３３
河流水 ２1049008１２ ０1049008０００２ mdash mdash ２1049008１２ ０1049008００６
生物水 １1049008１２ ０1049008０００１ mdash mdash １1049008１２ ０1049008００３
总 计 １３８５９８４1049008６ １００ １３５０９５５1049008４ １００ ３５０２９1049008２ １００
资料来源贺伟程1049008１９９２1049008世界水资源水利1049008中国水利大百科全书1049008北京中国大百科全书出版社
海水世界上海洋的面积为３1049008６１times１０８km２占地球表面积的７１海水的体积为１1049008３４times１０８km３占地球总储水量的９６1049008５
地下水地下水通常是指储存在地壳含水层中的重力水总储量为２1049008３４times１０７km３其中
地下淡水的储量为１1049008０５times１０７km３土壤水土壤水是指储存于地表最上部约２m 厚土层内的水当土层的平均湿度为
１０相当于含水深度为０1049008２m如果以陆地上土层覆盖总面积８２００万km２ 计算那么土壤水
的储量为１1049008６５times１０６km３
６ 流域水文学
冰雪水陆地上现代冰川的总面积超过１1049008６times１０７km２总体积为２1049008７times１０７km３若以冰的
密度９００kgm３ 计算折合成液态水约为２1049008４times１０７km３为地表河流湖泊总储水量的１２７倍湖泊水世界上大小湖泊多达数百万个全球湖泊水总储量为１1049008７６times１０７km３其中淡水储
量０1049008９１times１０７km３沼泽水沼泽水是一种特殊的水体没有开阔的水域只是陆地上层土壤中含有大量停滞
水分的过湿地段地球上沼泽的总面积约为２1049008６８times１０６km２总储水量约为１1049008１５times１０４km３河流水由于河水不停地流动全世界河床静储水量为２１２０km３占地球上总储水量
的０1049008０００２生物水生物水是指生物有机体中所含的水分据计算全球生物水的总量为１１２０km３
占地球总储水量的０1049008０００１大气水地表之上大气中的水汽来自地球表面各种水体水面的蒸发土壤蒸发及植物散
发并借助空气的垂直交换向上输送一般说来空气中的水汽含量随高度的增大而减少大
气水在７km 以内总量约有１２９００km３折合成水深约为２５mm仅占地球总水量的０1049008００１虽然数量不多但活动能力却很强是云雨雪雹霰雷闪电的根源
二水循环现象
(一)水循环基本过程
水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射地心引力等作用下通过蒸发水汽输送凝结降水下渗以及径流等环节不断地发生相态转换和周而复始运动的过程
从全球整体角度来说水循环过程可以设想从海洋的蒸发开始蒸发的水汽升入空中并被气流输送至各地其中大部分留在海洋上空少部分深入内陆在适当条件下这些水汽凝
结成为降水海面上的降水直接回归海洋而降落到陆地表面的雨雪除重新蒸发升入空中的
水汽外一部分成为地面径流补给江河湖泊另一部分渗入岩土层中转化为壤中流与地下径
流地面径流壤中流与地下径流最后也流入海洋构成全球性统一的连续有序的动态大
系统水循环广及整个水圈并深入大气圈岩石圈及生物圈其循环路径并非单一的而是通
过无数条路线实现循环和相变的所以水循环系统是由无数不同尺度不同规模的局部水循环
所组合而成的复杂系统图１Ｇ１为全球海陆间水循环过程的概化图整个过程可分解为水汽蒸发水汽输送凝结
降水水分入渗地表和地下径流等五个基本环节这五个环节既相互联系相互影响又交错
并存相对独立并在不同的环境条件下呈现不同的组合在全球各地形成一系列不同规模的
地区水循环
(二)水循环机理
地球上的水分在交替循环过程中总是溶解并携带着某些物质一起运动如溶于水中的各
种化学元素气体以及泥沙等固体杂质等不过这些物质不可能像水分那样构成完整的循环
系统所以通常意义上的水文循环仅指水分循环简称水循环太阳辐射与重力作用是水循环的基本动力此动力不消失水循环将永恒存在水的物理
性质在常温常压条件下液态气态固态三相变化的特性是水循环的前提条件外部环境包括
第一章 水循环与水资源 ７
图１Ｇ１ 水循环示意图(图中数字为水循环各环节转化量单位为１０４km３)
地理纬度海陆分布地貌形态等则制约了水循环的路径规模与强度水循环遵循质量守恒定律整个循环过程保持着连续性从实质上说水循环是物质与能量
的传输储存和转化过程而且存在于每一环节在蒸发环节中伴随液态水转化为气态水的是
热能的消耗伴随着凝结降水的是潜热的释放所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过
程据测算全球海陆日平均蒸发量为１1049008５８times１０１３m３是长江全年入海径流量的１1049008６倍蒸发这
些水汽的总耗热量高达３1049008８７８times１０２１J如折合电能为１０1049008７７times１０１４kW1048944h所以地面潜热交换成为
大气热量的主要来源由降水转化为地面与地下径流的过程则是势能转化为动能的过程这
些动能成为水流的动力消耗于沿途的冲刷搬运和堆积作用直到注入海洋才消耗殆尽
(三)流域水循环
在全球尺度上水循环是一个闭合的系统但是就流域的角度看水循环则是多个环节有
机耦合并外部开放的巨系统对于流域大气系统系统输入为流域外水汽输入系统输出为流
域内水汽输出蓄变量为流域大气水汽蓄变量对于流域地面系统而言系统输入为流域降水非闭合流域还有流域外地表水和地下水入流系统输出为流域内径流和蒸发蓄变量为流域地
表水蓄变量对于流域土壤系统而言系统输入为流域土壤入渗系统输出为流域土壤蒸发植被散发地下水上升蒸发土壤渗入地下水的补给和壤中出流蓄变量为流域土壤水蓄变量对于流域地下水系统而言系统输入为土壤渗入地下水的降水补给河渠水的渗入地表蓄水渗
漏越流补给灌溉回归水补给非闭合流域侧渗和区外含水层流入系统输出为地下水上升蒸
发地下水河道排泄地下出流和越流排泄蓄变量为流域地下水蓄变量流域水循环作为水循环特定空间范围内的一种具体实现是由一系列微观尺度的水循环过
程嵌套而成的同时作为陆地水循环和全球水循环的一个组成部分流域水循环及其演变过程
又受控于全球水循环的一般形势但是就流域水循环的结构看则大多表现为一个多层嵌套的
级联系统总体上看流域水循环包括降水蒸发下渗以及从上游到下游的产汇流过程但对
流域的局部地区(如支流或蓄水体)而言同时也是一个包含上述各水循环过程的开放系统
８ 流域水文学
三影响水循环的因素
影响水循环的因素很多一般可归纳为四大类气象因素如温度湿度风速风向等自然地理条件如地形地貌地质构造土壤和植被情况等人类活动包括各种水利措施农业措
施和水土保持措施等地理位置在这四类因素中气象因素是主要的起主导作用的因为在水循环的四个环节中有三个
(蒸发水汽输送降水)环节取决于气象条件径流虽受地形地貌地质构造土壤和植被等下
垫面条件的影响但径流的形成及其时空变化在很大程度上仍取决于气象条件自然地理条
件主要是通过蒸发和径流来影响水分循环有利于蒸发的地区水循环活跃而有利于径流的
地区则不利于水分循环人类活动对水分循环的影响主要表现在调节径流影响蒸发和降
水等水分循环环节上总之人类活动是通过改变下垫面条件来影响水分循环各环节的
第二节 水 量 平 衡
一水量平衡原理
水量平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体体现也是水循环得以存在的基础根据
物质不灭定律在水循环过程中对于任意选择的区域(或水体)在任意时段内其收入水量与
支出水量之间的差额等于该时段区域(或水体)内蓄水量的变化量即水在循环过程中从总体
上保持收支平衡水量平衡是研究水文现象的基本方法通过水量平衡可对水循环建立定量概念从而了解
各循环要素之间的定量关系水量平衡的基本方程为
I－O＝W２－W１＝ΔW (１Ｇ１)
式中I为给定时段内输入区域(或水体)的水量(mm 或 m３)O 为给定时段内输出区域(或水
体)的水量(mm 或 m３)W１W２ 为给定时段始末区域(或水体)的蓄水量(mm 或 m３)ΔW 为
时段内蓄水量的变化量ΔW＞０表示区域蓄水量增加ΔW＜０表示蓄水量减少(mm 或 m３)从本质上说水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现也是地球上水循环能
够持续不断进行下去的基本前提水循环是地球上客观存在的自然现象水量平衡是水循环
内在的规律水量平衡方程式则是水循环的数学表达式
二通用水量平衡方程
基于水量平衡原理以地面的某个部分作为研究对象这部分地面具有湖泊沼泽等水体并交错许多进出水道沿这部分地面的边界想象做出一个垂直的柱体柱体底部为地面以下
某一深度的水平面并假设该水平面上下的水量不进行交换根据水量平衡原理可知在某一
定时段内进入该区域的水量减去该柱体流出的水量应当等于该柱体内的蓄水变化量该区域水量收入部分包括以下各项①时段内的降水量P②时段内的凝结量X指水分
蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由河流流入的径流量ΣR地面入 ④由地下流入的径
流量ΣR地下入 ⑤柱体内时段初始蓄水量W 初 该区域水量支出部分包括以下各项①水分蒸发量E②由河流流出的径流量 ΣR地面出
第一章 水循环与水资源 ９
时段内的凝结量 X指水分蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由地下流出的径流
ΣR地下出 ④柱体内时段末期蓄水量W 末 ⑤用水量Y由此可列出任意区域在任意时段的通用水量平衡方程式为
P＋X ＋sumR地面入 ＋sumR地下入 ＋W 初 ＝E＋sumR地面出 ＋sumR地下出 ＋W 末 ＋Y
(１Ｇ２)
三流域水量平衡方程
对于一个天然闭合流域其地面分水线与地下分水线一致(分水线概念见第２章)则不可
能有水从外流域经地表或地下流入故通用水量平衡方程中ΣR地面入 和ΣR地下入 均为０凝结
量X 并入降水中计算令流出的总水量为R即
R＝sumR地面出 ＋sumR地下出 (１Ｇ３)
则有
P＝E＋R＋Y＋ΔW (１Ｇ４)
式中Y 为流域内国民经济的用水量包括灌溉用水量工业用水量外区域引水量及其他用水
量其中灌溉耗水量消耗于蒸发可计入流域总蒸发E 之中另一部分工业净耗水量消耗于蒸
发一部分是产品带水消耗于蒸发也计入E 之中而带水产品数量则很小可略去不计所以
闭合流域给定时段的水量平衡方程可写为
P＝E＋R＋ΔW (１Ｇ５)
如果所取的计算时段为一年则上式为闭合流域年水量平衡方程ΔW 为年初与年终流域
蓄水量的变化量如ΔW＞０则表示年内的降水一部分消耗于径流和蒸发其余则储蓄在流域
之内ΔW＜０表示年内径流蒸发不仅来自降水还有一部分来自流域原有的蓄水量对于多年平均来说流域内蓄水量变化量的均值近似为零即ΔW＝０故闭合流域多年平
均水量平衡方程为
P－
＝E－＋R
－ (１Ｇ６)
式中P－为多年平均降水量(mm 或 m３)R
－为多年平均径流量(mm 或 m３)E
－为多年平均蒸发
量(mm 或 m３)可见对于闭合流域多年平均流域的降水量等于多年平均径流量与多年平均蒸发量之和
PER 是水量平衡中的三个基本要素已知其中任意两项据此即可推求第三项值对于非闭合流域或较小流域地面与地下分水线不一致有一部分水量以渗流方式流至外
流域这种情况式(１Ｇ６)不成立应改写为
P＝E＋R＋ΔRprime＋ΔW (１Ｇ７)
式中ΔRprime为流域间水量交换量(mm 或 m３)其余符号同前有时也可以以径流量蒸发量对降水量的相对值来反映流域的水文特性式(１Ｇ６)两边除
以P－可得
E－
P－ ＋
R－
P－ ＝１ (１Ｇ８)
令R－
P－ ＝α０
E－
P－ ＝β０
１０ 流域水文学
则 α０＋β０＝１ (１Ｇ９)式中α０ 为多年平均径流系数β０ 为多年平均蒸发系数
α０β０ 反映了一个地区的气候和下垫面特性对于湿润地区α０ 较大可大于０1049008５干旱地
区α０ 较小有的只有百分之几而β０ 正好相反
第三节 水 资 源
一水资源的内涵
水是宝贵的自然资源也是自然生态环境中最积极最活跃的因素同时水又是人类生存
和社会经济活动的基本条件其应用价值表现为水量水质及水能三个方面地球上的水资源广义来说是指水圈内所有水包括海洋河流湖泊沼泽冰川土壤
水地下水及大气水都是人类宝贵的财富但是对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰
川限于当前的经济技术条件目前大规模开发利用还有许多困难狭义的水资源不同于自然界的水体它仅仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利
用的那一部分动态水体这种开发利用不仅目前技术上可能而且经济上合理且对生态环
境可能造成的影响也是可接受的这种水资源主要指河流湖泊地下水和土壤水等淡水一些区域还包括微咸水
需要说明的是土壤水虽然不能直接用于工业城镇供水但它是植物生长必不可少的条
件可以直接被植物吸收所以土壤水也应属于水资源范畴至于大气降水它不仅是径流形
成的最重要因素也是淡水资源的最主要甚至唯一的补给来源
二水资源特性
狭义而言水资源主要指水循环周期内可以恢复再生的能为人类直接利用的淡水资源它具有如下特征
(１)水资源的可再生性水资源与其他固体资源的本质区别在于其流动性是在循环中
形成的一种动态资源水资源在开采利用后能够得到大气降水的补给处在不断地开采补给和消耗恢复的循环之中
(２)储量有限性水资源处在不断地消耗和补充过程中在某种意义上水资源具有ldquo取之
不尽rdquo的特点恢复性强但实际上淡水资源储量是十分有限的且淡水资源大部分储存在极
地冰帽和冰川中真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的０1049008００７６８从水
量动态平衡的观点来看某一期间的水量消耗量应接近于该期间的水量补给量否则将会破坏
水平衡造成一系列环境问题可见水资源过程是无限的水资源储量是有限的并非取之不
尽用之不竭(３)时空分布不均匀性水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布特征时空分布的
不均匀性是水资源的又一特性我国水资源在区域上分布极不均匀总体来说东南多西北
少沿海多内陆少山区多平原少在同一地区中不同时间分布差异性很大一般是夏多冬少(４)因果随机性自然界中可更新的水资源主要来源于大气降水和融雪水其循环转换
具有因果关系由于大气降水和融雪水在时空上存在随机性导致水资源转化过程中有随机
性如某一区域既有丰平枯三种年型又有连枯连丰情况一年当中还有枯水期和丰水期这种变化都是随机的具有一定统计规律
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第一章 水循环与水资源
【内容提要】 自然界水体在太阳辐射作用下蒸发进入大气随气流输送输送中遇到适
当的条件形成降水部分形成径流以各种形式补给地球上的水体使得地球上的各类水资源
得以补充本章主要介绍水循环现象水量平衡原理和水资源基本概念
第一节 自然界的水循环
一地球上水的分布
水是地球上分布最为广泛的物质之一它以气态液态和固态三种形式存在于空气地表
与地下成为大气水海水和陆地水并和存在于所有动植物有机体内的生物水组成了一个
统一的相互联系的水圈地球上的水水平分布面积很广垂直分布则存在于大气圈生物圈岩石圈之中其水量
非常丰富约为１３1049008８６times１０８km３所以地球有ldquo水的行星rdquo之称(表１Ｇ１)
表１Ｇ１ 全球的水储量
水体水储量 咸水 淡水
１０３km３ １０３km３ １０３km３
海洋水 １３３８０００1049008０ ９６1049008５４ １３３８０００ ９９1049008０４ mdash mdash
冰川与永久雪盖 ２４０６４1049008１ １1049008７４ mdash mdash ２４０６４1049008１ ６８1049008７０
地下水 ２３４００1049008０ １1049008６９ １２８７０ ０1049008９５ １０５３０1049008０ ３０1049008０６
永冻土底冰 ３００1049008０ ０1049008０２ mdash mdash ３００1049008０ ０1049008８６
湖泊水 １７６1049008４ ０1049008０１３ ８５1049008４ ０1049008００６ ９１1049008０ ０1049008２６
土壤水 １６1049008５ ０1049008００１ mdash mdash １６1049008５ ０1049008０４７
大气水 １２1049008９ ０1049008０００９ mdash mdash １２1049008９ ０1049008０３７
沼泽水 １１1049008５ ０1049008０００８ mdash mdash １１1049008５ ０1049008０３３
河流水 ２1049008１２ ０1049008０００２ mdash mdash ２1049008１２ ０1049008００６
生物水 １1049008１２ ０1049008０００１ mdash mdash １1049008１２ ０1049008００３
总 计 １３８５９８４1049008６ １００ １３５０９５５1049008４ １００ ３５０２９1049008２ １００
资料来源贺伟程1049008１９９２1049008世界水资源水利1049008中国水利大百科全书1049008北京中国大百科全书出版社
海水世界上海洋的面积为３1049008６１times１０８km２占地球表面积的７１海水的体积为１1049008３４times１０８km３占地球总储水量的９６1049008５
地下水地下水通常是指储存在地壳含水层中的重力水总储量为２1049008３４times１０７km３其中
地下淡水的储量为１1049008０５times１０７km３土壤水土壤水是指储存于地表最上部约２m 厚土层内的水当土层的平均湿度为
１０相当于含水深度为０1049008２m如果以陆地上土层覆盖总面积８２００万km２ 计算那么土壤水
的储量为１1049008６５times１０６km３
６ 流域水文学
冰雪水陆地上现代冰川的总面积超过１1049008６times１０７km２总体积为２1049008７times１０７km３若以冰的
密度９００kgm３ 计算折合成液态水约为２1049008４times１０７km３为地表河流湖泊总储水量的１２７倍湖泊水世界上大小湖泊多达数百万个全球湖泊水总储量为１1049008７６times１０７km３其中淡水储
量０1049008９１times１０７km３沼泽水沼泽水是一种特殊的水体没有开阔的水域只是陆地上层土壤中含有大量停滞
水分的过湿地段地球上沼泽的总面积约为２1049008６８times１０６km２总储水量约为１1049008１５times１０４km３河流水由于河水不停地流动全世界河床静储水量为２１２０km３占地球上总储水量
的０1049008０００２生物水生物水是指生物有机体中所含的水分据计算全球生物水的总量为１１２０km３
占地球总储水量的０1049008０００１大气水地表之上大气中的水汽来自地球表面各种水体水面的蒸发土壤蒸发及植物散
发并借助空气的垂直交换向上输送一般说来空气中的水汽含量随高度的增大而减少大
气水在７km 以内总量约有１２９００km３折合成水深约为２５mm仅占地球总水量的０1049008００１虽然数量不多但活动能力却很强是云雨雪雹霰雷闪电的根源
二水循环现象
(一)水循环基本过程
水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射地心引力等作用下通过蒸发水汽输送凝结降水下渗以及径流等环节不断地发生相态转换和周而复始运动的过程
从全球整体角度来说水循环过程可以设想从海洋的蒸发开始蒸发的水汽升入空中并被气流输送至各地其中大部分留在海洋上空少部分深入内陆在适当条件下这些水汽凝
结成为降水海面上的降水直接回归海洋而降落到陆地表面的雨雪除重新蒸发升入空中的
水汽外一部分成为地面径流补给江河湖泊另一部分渗入岩土层中转化为壤中流与地下径
流地面径流壤中流与地下径流最后也流入海洋构成全球性统一的连续有序的动态大
系统水循环广及整个水圈并深入大气圈岩石圈及生物圈其循环路径并非单一的而是通
过无数条路线实现循环和相变的所以水循环系统是由无数不同尺度不同规模的局部水循环
所组合而成的复杂系统图１Ｇ１为全球海陆间水循环过程的概化图整个过程可分解为水汽蒸发水汽输送凝结
降水水分入渗地表和地下径流等五个基本环节这五个环节既相互联系相互影响又交错
并存相对独立并在不同的环境条件下呈现不同的组合在全球各地形成一系列不同规模的
地区水循环
(二)水循环机理
地球上的水分在交替循环过程中总是溶解并携带着某些物质一起运动如溶于水中的各
种化学元素气体以及泥沙等固体杂质等不过这些物质不可能像水分那样构成完整的循环
系统所以通常意义上的水文循环仅指水分循环简称水循环太阳辐射与重力作用是水循环的基本动力此动力不消失水循环将永恒存在水的物理
性质在常温常压条件下液态气态固态三相变化的特性是水循环的前提条件外部环境包括
第一章 水循环与水资源 ７
图１Ｇ１ 水循环示意图(图中数字为水循环各环节转化量单位为１０４km３)
地理纬度海陆分布地貌形态等则制约了水循环的路径规模与强度水循环遵循质量守恒定律整个循环过程保持着连续性从实质上说水循环是物质与能量
的传输储存和转化过程而且存在于每一环节在蒸发环节中伴随液态水转化为气态水的是
热能的消耗伴随着凝结降水的是潜热的释放所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过
程据测算全球海陆日平均蒸发量为１1049008５８times１０１３m３是长江全年入海径流量的１1049008６倍蒸发这
些水汽的总耗热量高达３1049008８７８times１０２１J如折合电能为１０1049008７７times１０１４kW1048944h所以地面潜热交换成为
大气热量的主要来源由降水转化为地面与地下径流的过程则是势能转化为动能的过程这
些动能成为水流的动力消耗于沿途的冲刷搬运和堆积作用直到注入海洋才消耗殆尽
(三)流域水循环
在全球尺度上水循环是一个闭合的系统但是就流域的角度看水循环则是多个环节有
机耦合并外部开放的巨系统对于流域大气系统系统输入为流域外水汽输入系统输出为流
域内水汽输出蓄变量为流域大气水汽蓄变量对于流域地面系统而言系统输入为流域降水非闭合流域还有流域外地表水和地下水入流系统输出为流域内径流和蒸发蓄变量为流域地
表水蓄变量对于流域土壤系统而言系统输入为流域土壤入渗系统输出为流域土壤蒸发植被散发地下水上升蒸发土壤渗入地下水的补给和壤中出流蓄变量为流域土壤水蓄变量对于流域地下水系统而言系统输入为土壤渗入地下水的降水补给河渠水的渗入地表蓄水渗
漏越流补给灌溉回归水补给非闭合流域侧渗和区外含水层流入系统输出为地下水上升蒸
发地下水河道排泄地下出流和越流排泄蓄变量为流域地下水蓄变量流域水循环作为水循环特定空间范围内的一种具体实现是由一系列微观尺度的水循环过
程嵌套而成的同时作为陆地水循环和全球水循环的一个组成部分流域水循环及其演变过程
又受控于全球水循环的一般形势但是就流域水循环的结构看则大多表现为一个多层嵌套的
级联系统总体上看流域水循环包括降水蒸发下渗以及从上游到下游的产汇流过程但对
流域的局部地区(如支流或蓄水体)而言同时也是一个包含上述各水循环过程的开放系统
８ 流域水文学
三影响水循环的因素
影响水循环的因素很多一般可归纳为四大类气象因素如温度湿度风速风向等自然地理条件如地形地貌地质构造土壤和植被情况等人类活动包括各种水利措施农业措
施和水土保持措施等地理位置在这四类因素中气象因素是主要的起主导作用的因为在水循环的四个环节中有三个
(蒸发水汽输送降水)环节取决于气象条件径流虽受地形地貌地质构造土壤和植被等下
垫面条件的影响但径流的形成及其时空变化在很大程度上仍取决于气象条件自然地理条
件主要是通过蒸发和径流来影响水分循环有利于蒸发的地区水循环活跃而有利于径流的
地区则不利于水分循环人类活动对水分循环的影响主要表现在调节径流影响蒸发和降
水等水分循环环节上总之人类活动是通过改变下垫面条件来影响水分循环各环节的
第二节 水 量 平 衡
一水量平衡原理
水量平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体体现也是水循环得以存在的基础根据
物质不灭定律在水循环过程中对于任意选择的区域(或水体)在任意时段内其收入水量与
支出水量之间的差额等于该时段区域(或水体)内蓄水量的变化量即水在循环过程中从总体
上保持收支平衡水量平衡是研究水文现象的基本方法通过水量平衡可对水循环建立定量概念从而了解
各循环要素之间的定量关系水量平衡的基本方程为
I－O＝W２－W１＝ΔW (１Ｇ１)
式中I为给定时段内输入区域(或水体)的水量(mm 或 m３)O 为给定时段内输出区域(或水
体)的水量(mm 或 m３)W１W２ 为给定时段始末区域(或水体)的蓄水量(mm 或 m３)ΔW 为
时段内蓄水量的变化量ΔW＞０表示区域蓄水量增加ΔW＜０表示蓄水量减少(mm 或 m３)从本质上说水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现也是地球上水循环能
够持续不断进行下去的基本前提水循环是地球上客观存在的自然现象水量平衡是水循环
内在的规律水量平衡方程式则是水循环的数学表达式
二通用水量平衡方程
基于水量平衡原理以地面的某个部分作为研究对象这部分地面具有湖泊沼泽等水体并交错许多进出水道沿这部分地面的边界想象做出一个垂直的柱体柱体底部为地面以下
某一深度的水平面并假设该水平面上下的水量不进行交换根据水量平衡原理可知在某一
定时段内进入该区域的水量减去该柱体流出的水量应当等于该柱体内的蓄水变化量该区域水量收入部分包括以下各项①时段内的降水量P②时段内的凝结量X指水分
蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由河流流入的径流量ΣR地面入 ④由地下流入的径
流量ΣR地下入 ⑤柱体内时段初始蓄水量W 初 该区域水量支出部分包括以下各项①水分蒸发量E②由河流流出的径流量 ΣR地面出
第一章 水循环与水资源 ９
时段内的凝结量 X指水分蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由地下流出的径流
ΣR地下出 ④柱体内时段末期蓄水量W 末 ⑤用水量Y由此可列出任意区域在任意时段的通用水量平衡方程式为
P＋X ＋sumR地面入 ＋sumR地下入 ＋W 初 ＝E＋sumR地面出 ＋sumR地下出 ＋W 末 ＋Y
(１Ｇ２)
三流域水量平衡方程
对于一个天然闭合流域其地面分水线与地下分水线一致(分水线概念见第２章)则不可
能有水从外流域经地表或地下流入故通用水量平衡方程中ΣR地面入 和ΣR地下入 均为０凝结
量X 并入降水中计算令流出的总水量为R即
R＝sumR地面出 ＋sumR地下出 (１Ｇ３)
则有
P＝E＋R＋Y＋ΔW (１Ｇ４)
式中Y 为流域内国民经济的用水量包括灌溉用水量工业用水量外区域引水量及其他用水
量其中灌溉耗水量消耗于蒸发可计入流域总蒸发E 之中另一部分工业净耗水量消耗于蒸
发一部分是产品带水消耗于蒸发也计入E 之中而带水产品数量则很小可略去不计所以
闭合流域给定时段的水量平衡方程可写为
P＝E＋R＋ΔW (１Ｇ５)
如果所取的计算时段为一年则上式为闭合流域年水量平衡方程ΔW 为年初与年终流域
蓄水量的变化量如ΔW＞０则表示年内的降水一部分消耗于径流和蒸发其余则储蓄在流域
之内ΔW＜０表示年内径流蒸发不仅来自降水还有一部分来自流域原有的蓄水量对于多年平均来说流域内蓄水量变化量的均值近似为零即ΔW＝０故闭合流域多年平
均水量平衡方程为
P－
＝E－＋R
－ (１Ｇ６)
式中P－为多年平均降水量(mm 或 m３)R
－为多年平均径流量(mm 或 m３)E
－为多年平均蒸发
量(mm 或 m３)可见对于闭合流域多年平均流域的降水量等于多年平均径流量与多年平均蒸发量之和
PER 是水量平衡中的三个基本要素已知其中任意两项据此即可推求第三项值对于非闭合流域或较小流域地面与地下分水线不一致有一部分水量以渗流方式流至外
流域这种情况式(１Ｇ６)不成立应改写为
P＝E＋R＋ΔRprime＋ΔW (１Ｇ７)
式中ΔRprime为流域间水量交换量(mm 或 m３)其余符号同前有时也可以以径流量蒸发量对降水量的相对值来反映流域的水文特性式(１Ｇ６)两边除
以P－可得
E－
P－ ＋
R－
P－ ＝１ (１Ｇ８)
令R－
P－ ＝α０
E－
P－ ＝β０
１０ 流域水文学
则 α０＋β０＝１ (１Ｇ９)式中α０ 为多年平均径流系数β０ 为多年平均蒸发系数
α０β０ 反映了一个地区的气候和下垫面特性对于湿润地区α０ 较大可大于０1049008５干旱地
区α０ 较小有的只有百分之几而β０ 正好相反
第三节 水 资 源
一水资源的内涵
水是宝贵的自然资源也是自然生态环境中最积极最活跃的因素同时水又是人类生存
和社会经济活动的基本条件其应用价值表现为水量水质及水能三个方面地球上的水资源广义来说是指水圈内所有水包括海洋河流湖泊沼泽冰川土壤
水地下水及大气水都是人类宝贵的财富但是对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰
川限于当前的经济技术条件目前大规模开发利用还有许多困难狭义的水资源不同于自然界的水体它仅仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利
用的那一部分动态水体这种开发利用不仅目前技术上可能而且经济上合理且对生态环
境可能造成的影响也是可接受的这种水资源主要指河流湖泊地下水和土壤水等淡水一些区域还包括微咸水
需要说明的是土壤水虽然不能直接用于工业城镇供水但它是植物生长必不可少的条
件可以直接被植物吸收所以土壤水也应属于水资源范畴至于大气降水它不仅是径流形
成的最重要因素也是淡水资源的最主要甚至唯一的补给来源
二水资源特性
狭义而言水资源主要指水循环周期内可以恢复再生的能为人类直接利用的淡水资源它具有如下特征
(１)水资源的可再生性水资源与其他固体资源的本质区别在于其流动性是在循环中
形成的一种动态资源水资源在开采利用后能够得到大气降水的补给处在不断地开采补给和消耗恢复的循环之中
(２)储量有限性水资源处在不断地消耗和补充过程中在某种意义上水资源具有ldquo取之
不尽rdquo的特点恢复性强但实际上淡水资源储量是十分有限的且淡水资源大部分储存在极
地冰帽和冰川中真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的０1049008００７６８从水
量动态平衡的观点来看某一期间的水量消耗量应接近于该期间的水量补给量否则将会破坏
水平衡造成一系列环境问题可见水资源过程是无限的水资源储量是有限的并非取之不
尽用之不竭(３)时空分布不均匀性水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布特征时空分布的
不均匀性是水资源的又一特性我国水资源在区域上分布极不均匀总体来说东南多西北
少沿海多内陆少山区多平原少在同一地区中不同时间分布差异性很大一般是夏多冬少(４)因果随机性自然界中可更新的水资源主要来源于大气降水和融雪水其循环转换
具有因果关系由于大气降水和融雪水在时空上存在随机性导致水资源转化过程中有随机
性如某一区域既有丰平枯三种年型又有连枯连丰情况一年当中还有枯水期和丰水期这种变化都是随机的具有一定统计规律
- 空白页面
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６ 流域水文学
冰雪水陆地上现代冰川的总面积超过１1049008６times１０７km２总体积为２1049008７times１０７km３若以冰的
密度９００kgm３ 计算折合成液态水约为２1049008４times１０７km３为地表河流湖泊总储水量的１２７倍湖泊水世界上大小湖泊多达数百万个全球湖泊水总储量为１1049008７６times１０７km３其中淡水储
量０1049008９１times１０７km３沼泽水沼泽水是一种特殊的水体没有开阔的水域只是陆地上层土壤中含有大量停滞
水分的过湿地段地球上沼泽的总面积约为２1049008６８times１０６km２总储水量约为１1049008１５times１０４km３河流水由于河水不停地流动全世界河床静储水量为２１２０km３占地球上总储水量
的０1049008０００２生物水生物水是指生物有机体中所含的水分据计算全球生物水的总量为１１２０km３
占地球总储水量的０1049008０００１大气水地表之上大气中的水汽来自地球表面各种水体水面的蒸发土壤蒸发及植物散
发并借助空气的垂直交换向上输送一般说来空气中的水汽含量随高度的增大而减少大
气水在７km 以内总量约有１２９００km３折合成水深约为２５mm仅占地球总水量的０1049008００１虽然数量不多但活动能力却很强是云雨雪雹霰雷闪电的根源
二水循环现象
(一)水循环基本过程
水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射地心引力等作用下通过蒸发水汽输送凝结降水下渗以及径流等环节不断地发生相态转换和周而复始运动的过程
从全球整体角度来说水循环过程可以设想从海洋的蒸发开始蒸发的水汽升入空中并被气流输送至各地其中大部分留在海洋上空少部分深入内陆在适当条件下这些水汽凝
结成为降水海面上的降水直接回归海洋而降落到陆地表面的雨雪除重新蒸发升入空中的
水汽外一部分成为地面径流补给江河湖泊另一部分渗入岩土层中转化为壤中流与地下径
流地面径流壤中流与地下径流最后也流入海洋构成全球性统一的连续有序的动态大
系统水循环广及整个水圈并深入大气圈岩石圈及生物圈其循环路径并非单一的而是通
过无数条路线实现循环和相变的所以水循环系统是由无数不同尺度不同规模的局部水循环
所组合而成的复杂系统图１Ｇ１为全球海陆间水循环过程的概化图整个过程可分解为水汽蒸发水汽输送凝结
降水水分入渗地表和地下径流等五个基本环节这五个环节既相互联系相互影响又交错
并存相对独立并在不同的环境条件下呈现不同的组合在全球各地形成一系列不同规模的
地区水循环
(二)水循环机理
地球上的水分在交替循环过程中总是溶解并携带着某些物质一起运动如溶于水中的各
种化学元素气体以及泥沙等固体杂质等不过这些物质不可能像水分那样构成完整的循环
系统所以通常意义上的水文循环仅指水分循环简称水循环太阳辐射与重力作用是水循环的基本动力此动力不消失水循环将永恒存在水的物理
性质在常温常压条件下液态气态固态三相变化的特性是水循环的前提条件外部环境包括
第一章 水循环与水资源 ７
图１Ｇ１ 水循环示意图(图中数字为水循环各环节转化量单位为１０４km３)
地理纬度海陆分布地貌形态等则制约了水循环的路径规模与强度水循环遵循质量守恒定律整个循环过程保持着连续性从实质上说水循环是物质与能量
的传输储存和转化过程而且存在于每一环节在蒸发环节中伴随液态水转化为气态水的是
热能的消耗伴随着凝结降水的是潜热的释放所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过
程据测算全球海陆日平均蒸发量为１1049008５８times１０１３m３是长江全年入海径流量的１1049008６倍蒸发这
些水汽的总耗热量高达３1049008８７８times１０２１J如折合电能为１０1049008７７times１０１４kW1048944h所以地面潜热交换成为
大气热量的主要来源由降水转化为地面与地下径流的过程则是势能转化为动能的过程这
些动能成为水流的动力消耗于沿途的冲刷搬运和堆积作用直到注入海洋才消耗殆尽
(三)流域水循环
在全球尺度上水循环是一个闭合的系统但是就流域的角度看水循环则是多个环节有
机耦合并外部开放的巨系统对于流域大气系统系统输入为流域外水汽输入系统输出为流
域内水汽输出蓄变量为流域大气水汽蓄变量对于流域地面系统而言系统输入为流域降水非闭合流域还有流域外地表水和地下水入流系统输出为流域内径流和蒸发蓄变量为流域地
表水蓄变量对于流域土壤系统而言系统输入为流域土壤入渗系统输出为流域土壤蒸发植被散发地下水上升蒸发土壤渗入地下水的补给和壤中出流蓄变量为流域土壤水蓄变量对于流域地下水系统而言系统输入为土壤渗入地下水的降水补给河渠水的渗入地表蓄水渗
漏越流补给灌溉回归水补给非闭合流域侧渗和区外含水层流入系统输出为地下水上升蒸
发地下水河道排泄地下出流和越流排泄蓄变量为流域地下水蓄变量流域水循环作为水循环特定空间范围内的一种具体实现是由一系列微观尺度的水循环过
程嵌套而成的同时作为陆地水循环和全球水循环的一个组成部分流域水循环及其演变过程
又受控于全球水循环的一般形势但是就流域水循环的结构看则大多表现为一个多层嵌套的
级联系统总体上看流域水循环包括降水蒸发下渗以及从上游到下游的产汇流过程但对
流域的局部地区(如支流或蓄水体)而言同时也是一个包含上述各水循环过程的开放系统
８ 流域水文学
三影响水循环的因素
影响水循环的因素很多一般可归纳为四大类气象因素如温度湿度风速风向等自然地理条件如地形地貌地质构造土壤和植被情况等人类活动包括各种水利措施农业措
施和水土保持措施等地理位置在这四类因素中气象因素是主要的起主导作用的因为在水循环的四个环节中有三个
(蒸发水汽输送降水)环节取决于气象条件径流虽受地形地貌地质构造土壤和植被等下
垫面条件的影响但径流的形成及其时空变化在很大程度上仍取决于气象条件自然地理条
件主要是通过蒸发和径流来影响水分循环有利于蒸发的地区水循环活跃而有利于径流的
地区则不利于水分循环人类活动对水分循环的影响主要表现在调节径流影响蒸发和降
水等水分循环环节上总之人类活动是通过改变下垫面条件来影响水分循环各环节的
第二节 水 量 平 衡
一水量平衡原理
水量平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体体现也是水循环得以存在的基础根据
物质不灭定律在水循环过程中对于任意选择的区域(或水体)在任意时段内其收入水量与
支出水量之间的差额等于该时段区域(或水体)内蓄水量的变化量即水在循环过程中从总体
上保持收支平衡水量平衡是研究水文现象的基本方法通过水量平衡可对水循环建立定量概念从而了解
各循环要素之间的定量关系水量平衡的基本方程为
I－O＝W２－W１＝ΔW (１Ｇ１)
式中I为给定时段内输入区域(或水体)的水量(mm 或 m３)O 为给定时段内输出区域(或水
体)的水量(mm 或 m３)W１W２ 为给定时段始末区域(或水体)的蓄水量(mm 或 m３)ΔW 为
时段内蓄水量的变化量ΔW＞０表示区域蓄水量增加ΔW＜０表示蓄水量减少(mm 或 m３)从本质上说水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现也是地球上水循环能
够持续不断进行下去的基本前提水循环是地球上客观存在的自然现象水量平衡是水循环
内在的规律水量平衡方程式则是水循环的数学表达式
二通用水量平衡方程
基于水量平衡原理以地面的某个部分作为研究对象这部分地面具有湖泊沼泽等水体并交错许多进出水道沿这部分地面的边界想象做出一个垂直的柱体柱体底部为地面以下
某一深度的水平面并假设该水平面上下的水量不进行交换根据水量平衡原理可知在某一
定时段内进入该区域的水量减去该柱体流出的水量应当等于该柱体内的蓄水变化量该区域水量收入部分包括以下各项①时段内的降水量P②时段内的凝结量X指水分
蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由河流流入的径流量ΣR地面入 ④由地下流入的径
流量ΣR地下入 ⑤柱体内时段初始蓄水量W 初 该区域水量支出部分包括以下各项①水分蒸发量E②由河流流出的径流量 ΣR地面出
第一章 水循环与水资源 ９
时段内的凝结量 X指水分蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由地下流出的径流
ΣR地下出 ④柱体内时段末期蓄水量W 末 ⑤用水量Y由此可列出任意区域在任意时段的通用水量平衡方程式为
P＋X ＋sumR地面入 ＋sumR地下入 ＋W 初 ＝E＋sumR地面出 ＋sumR地下出 ＋W 末 ＋Y
(１Ｇ２)
三流域水量平衡方程
对于一个天然闭合流域其地面分水线与地下分水线一致(分水线概念见第２章)则不可
能有水从外流域经地表或地下流入故通用水量平衡方程中ΣR地面入 和ΣR地下入 均为０凝结
量X 并入降水中计算令流出的总水量为R即
R＝sumR地面出 ＋sumR地下出 (１Ｇ３)
则有
P＝E＋R＋Y＋ΔW (１Ｇ４)
式中Y 为流域内国民经济的用水量包括灌溉用水量工业用水量外区域引水量及其他用水
量其中灌溉耗水量消耗于蒸发可计入流域总蒸发E 之中另一部分工业净耗水量消耗于蒸
发一部分是产品带水消耗于蒸发也计入E 之中而带水产品数量则很小可略去不计所以
闭合流域给定时段的水量平衡方程可写为
P＝E＋R＋ΔW (１Ｇ５)
如果所取的计算时段为一年则上式为闭合流域年水量平衡方程ΔW 为年初与年终流域
蓄水量的变化量如ΔW＞０则表示年内的降水一部分消耗于径流和蒸发其余则储蓄在流域
之内ΔW＜０表示年内径流蒸发不仅来自降水还有一部分来自流域原有的蓄水量对于多年平均来说流域内蓄水量变化量的均值近似为零即ΔW＝０故闭合流域多年平
均水量平衡方程为
P－
＝E－＋R
－ (１Ｇ６)
式中P－为多年平均降水量(mm 或 m３)R
－为多年平均径流量(mm 或 m３)E
－为多年平均蒸发
量(mm 或 m３)可见对于闭合流域多年平均流域的降水量等于多年平均径流量与多年平均蒸发量之和
PER 是水量平衡中的三个基本要素已知其中任意两项据此即可推求第三项值对于非闭合流域或较小流域地面与地下分水线不一致有一部分水量以渗流方式流至外
流域这种情况式(１Ｇ６)不成立应改写为
P＝E＋R＋ΔRprime＋ΔW (１Ｇ７)
式中ΔRprime为流域间水量交换量(mm 或 m３)其余符号同前有时也可以以径流量蒸发量对降水量的相对值来反映流域的水文特性式(１Ｇ６)两边除
以P－可得
E－
P－ ＋
R－
P－ ＝１ (１Ｇ８)
令R－
P－ ＝α０
E－
P－ ＝β０
１０ 流域水文学
则 α０＋β０＝１ (１Ｇ９)式中α０ 为多年平均径流系数β０ 为多年平均蒸发系数
α０β０ 反映了一个地区的气候和下垫面特性对于湿润地区α０ 较大可大于０1049008５干旱地
区α０ 较小有的只有百分之几而β０ 正好相反
第三节 水 资 源
一水资源的内涵
水是宝贵的自然资源也是自然生态环境中最积极最活跃的因素同时水又是人类生存
和社会经济活动的基本条件其应用价值表现为水量水质及水能三个方面地球上的水资源广义来说是指水圈内所有水包括海洋河流湖泊沼泽冰川土壤
水地下水及大气水都是人类宝贵的财富但是对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰
川限于当前的经济技术条件目前大规模开发利用还有许多困难狭义的水资源不同于自然界的水体它仅仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利
用的那一部分动态水体这种开发利用不仅目前技术上可能而且经济上合理且对生态环
境可能造成的影响也是可接受的这种水资源主要指河流湖泊地下水和土壤水等淡水一些区域还包括微咸水
需要说明的是土壤水虽然不能直接用于工业城镇供水但它是植物生长必不可少的条
件可以直接被植物吸收所以土壤水也应属于水资源范畴至于大气降水它不仅是径流形
成的最重要因素也是淡水资源的最主要甚至唯一的补给来源
二水资源特性
狭义而言水资源主要指水循环周期内可以恢复再生的能为人类直接利用的淡水资源它具有如下特征
(１)水资源的可再生性水资源与其他固体资源的本质区别在于其流动性是在循环中
形成的一种动态资源水资源在开采利用后能够得到大气降水的补给处在不断地开采补给和消耗恢复的循环之中
(２)储量有限性水资源处在不断地消耗和补充过程中在某种意义上水资源具有ldquo取之
不尽rdquo的特点恢复性强但实际上淡水资源储量是十分有限的且淡水资源大部分储存在极
地冰帽和冰川中真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的０1049008００７６８从水
量动态平衡的观点来看某一期间的水量消耗量应接近于该期间的水量补给量否则将会破坏
水平衡造成一系列环境问题可见水资源过程是无限的水资源储量是有限的并非取之不
尽用之不竭(３)时空分布不均匀性水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布特征时空分布的
不均匀性是水资源的又一特性我国水资源在区域上分布极不均匀总体来说东南多西北
少沿海多内陆少山区多平原少在同一地区中不同时间分布差异性很大一般是夏多冬少(４)因果随机性自然界中可更新的水资源主要来源于大气降水和融雪水其循环转换
具有因果关系由于大气降水和融雪水在时空上存在随机性导致水资源转化过程中有随机
性如某一区域既有丰平枯三种年型又有连枯连丰情况一年当中还有枯水期和丰水期这种变化都是随机的具有一定统计规律
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第一章 水循环与水资源 ７
图１Ｇ１ 水循环示意图(图中数字为水循环各环节转化量单位为１０４km３)
地理纬度海陆分布地貌形态等则制约了水循环的路径规模与强度水循环遵循质量守恒定律整个循环过程保持着连续性从实质上说水循环是物质与能量
的传输储存和转化过程而且存在于每一环节在蒸发环节中伴随液态水转化为气态水的是
热能的消耗伴随着凝结降水的是潜热的释放所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过
程据测算全球海陆日平均蒸发量为１1049008５８times１０１３m３是长江全年入海径流量的１1049008６倍蒸发这
些水汽的总耗热量高达３1049008８７８times１０２１J如折合电能为１０1049008７７times１０１４kW1048944h所以地面潜热交换成为
大气热量的主要来源由降水转化为地面与地下径流的过程则是势能转化为动能的过程这
些动能成为水流的动力消耗于沿途的冲刷搬运和堆积作用直到注入海洋才消耗殆尽
(三)流域水循环
在全球尺度上水循环是一个闭合的系统但是就流域的角度看水循环则是多个环节有
机耦合并外部开放的巨系统对于流域大气系统系统输入为流域外水汽输入系统输出为流
域内水汽输出蓄变量为流域大气水汽蓄变量对于流域地面系统而言系统输入为流域降水非闭合流域还有流域外地表水和地下水入流系统输出为流域内径流和蒸发蓄变量为流域地
表水蓄变量对于流域土壤系统而言系统输入为流域土壤入渗系统输出为流域土壤蒸发植被散发地下水上升蒸发土壤渗入地下水的补给和壤中出流蓄变量为流域土壤水蓄变量对于流域地下水系统而言系统输入为土壤渗入地下水的降水补给河渠水的渗入地表蓄水渗
漏越流补给灌溉回归水补给非闭合流域侧渗和区外含水层流入系统输出为地下水上升蒸
发地下水河道排泄地下出流和越流排泄蓄变量为流域地下水蓄变量流域水循环作为水循环特定空间范围内的一种具体实现是由一系列微观尺度的水循环过
程嵌套而成的同时作为陆地水循环和全球水循环的一个组成部分流域水循环及其演变过程
又受控于全球水循环的一般形势但是就流域水循环的结构看则大多表现为一个多层嵌套的
级联系统总体上看流域水循环包括降水蒸发下渗以及从上游到下游的产汇流过程但对
流域的局部地区(如支流或蓄水体)而言同时也是一个包含上述各水循环过程的开放系统
８ 流域水文学
三影响水循环的因素
影响水循环的因素很多一般可归纳为四大类气象因素如温度湿度风速风向等自然地理条件如地形地貌地质构造土壤和植被情况等人类活动包括各种水利措施农业措
施和水土保持措施等地理位置在这四类因素中气象因素是主要的起主导作用的因为在水循环的四个环节中有三个
(蒸发水汽输送降水)环节取决于气象条件径流虽受地形地貌地质构造土壤和植被等下
垫面条件的影响但径流的形成及其时空变化在很大程度上仍取决于气象条件自然地理条
件主要是通过蒸发和径流来影响水分循环有利于蒸发的地区水循环活跃而有利于径流的
地区则不利于水分循环人类活动对水分循环的影响主要表现在调节径流影响蒸发和降
水等水分循环环节上总之人类活动是通过改变下垫面条件来影响水分循环各环节的
第二节 水 量 平 衡
一水量平衡原理
水量平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体体现也是水循环得以存在的基础根据
物质不灭定律在水循环过程中对于任意选择的区域(或水体)在任意时段内其收入水量与
支出水量之间的差额等于该时段区域(或水体)内蓄水量的变化量即水在循环过程中从总体
上保持收支平衡水量平衡是研究水文现象的基本方法通过水量平衡可对水循环建立定量概念从而了解
各循环要素之间的定量关系水量平衡的基本方程为
I－O＝W２－W１＝ΔW (１Ｇ１)
式中I为给定时段内输入区域(或水体)的水量(mm 或 m３)O 为给定时段内输出区域(或水
体)的水量(mm 或 m３)W１W２ 为给定时段始末区域(或水体)的蓄水量(mm 或 m３)ΔW 为
时段内蓄水量的变化量ΔW＞０表示区域蓄水量增加ΔW＜０表示蓄水量减少(mm 或 m３)从本质上说水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现也是地球上水循环能
够持续不断进行下去的基本前提水循环是地球上客观存在的自然现象水量平衡是水循环
内在的规律水量平衡方程式则是水循环的数学表达式
二通用水量平衡方程
基于水量平衡原理以地面的某个部分作为研究对象这部分地面具有湖泊沼泽等水体并交错许多进出水道沿这部分地面的边界想象做出一个垂直的柱体柱体底部为地面以下
某一深度的水平面并假设该水平面上下的水量不进行交换根据水量平衡原理可知在某一
定时段内进入该区域的水量减去该柱体流出的水量应当等于该柱体内的蓄水变化量该区域水量收入部分包括以下各项①时段内的降水量P②时段内的凝结量X指水分
蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由河流流入的径流量ΣR地面入 ④由地下流入的径
流量ΣR地下入 ⑤柱体内时段初始蓄水量W 初 该区域水量支出部分包括以下各项①水分蒸发量E②由河流流出的径流量 ΣR地面出
第一章 水循环与水资源 ９
时段内的凝结量 X指水分蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由地下流出的径流
ΣR地下出 ④柱体内时段末期蓄水量W 末 ⑤用水量Y由此可列出任意区域在任意时段的通用水量平衡方程式为
P＋X ＋sumR地面入 ＋sumR地下入 ＋W 初 ＝E＋sumR地面出 ＋sumR地下出 ＋W 末 ＋Y
(１Ｇ２)
三流域水量平衡方程
对于一个天然闭合流域其地面分水线与地下分水线一致(分水线概念见第２章)则不可
能有水从外流域经地表或地下流入故通用水量平衡方程中ΣR地面入 和ΣR地下入 均为０凝结
量X 并入降水中计算令流出的总水量为R即
R＝sumR地面出 ＋sumR地下出 (１Ｇ３)
则有
P＝E＋R＋Y＋ΔW (１Ｇ４)
式中Y 为流域内国民经济的用水量包括灌溉用水量工业用水量外区域引水量及其他用水
量其中灌溉耗水量消耗于蒸发可计入流域总蒸发E 之中另一部分工业净耗水量消耗于蒸
发一部分是产品带水消耗于蒸发也计入E 之中而带水产品数量则很小可略去不计所以
闭合流域给定时段的水量平衡方程可写为
P＝E＋R＋ΔW (１Ｇ５)
如果所取的计算时段为一年则上式为闭合流域年水量平衡方程ΔW 为年初与年终流域
蓄水量的变化量如ΔW＞０则表示年内的降水一部分消耗于径流和蒸发其余则储蓄在流域
之内ΔW＜０表示年内径流蒸发不仅来自降水还有一部分来自流域原有的蓄水量对于多年平均来说流域内蓄水量变化量的均值近似为零即ΔW＝０故闭合流域多年平
均水量平衡方程为
P－
＝E－＋R
－ (１Ｇ６)
式中P－为多年平均降水量(mm 或 m３)R
－为多年平均径流量(mm 或 m３)E
－为多年平均蒸发
量(mm 或 m３)可见对于闭合流域多年平均流域的降水量等于多年平均径流量与多年平均蒸发量之和
PER 是水量平衡中的三个基本要素已知其中任意两项据此即可推求第三项值对于非闭合流域或较小流域地面与地下分水线不一致有一部分水量以渗流方式流至外
流域这种情况式(１Ｇ６)不成立应改写为
P＝E＋R＋ΔRprime＋ΔW (１Ｇ７)
式中ΔRprime为流域间水量交换量(mm 或 m３)其余符号同前有时也可以以径流量蒸发量对降水量的相对值来反映流域的水文特性式(１Ｇ６)两边除
以P－可得
E－
P－ ＋
R－
P－ ＝１ (１Ｇ８)
令R－
P－ ＝α０
E－
P－ ＝β０
１０ 流域水文学
则 α０＋β０＝１ (１Ｇ９)式中α０ 为多年平均径流系数β０ 为多年平均蒸发系数
α０β０ 反映了一个地区的气候和下垫面特性对于湿润地区α０ 较大可大于０1049008５干旱地
区α０ 较小有的只有百分之几而β０ 正好相反
第三节 水 资 源
一水资源的内涵
水是宝贵的自然资源也是自然生态环境中最积极最活跃的因素同时水又是人类生存
和社会经济活动的基本条件其应用价值表现为水量水质及水能三个方面地球上的水资源广义来说是指水圈内所有水包括海洋河流湖泊沼泽冰川土壤
水地下水及大气水都是人类宝贵的财富但是对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰
川限于当前的经济技术条件目前大规模开发利用还有许多困难狭义的水资源不同于自然界的水体它仅仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利
用的那一部分动态水体这种开发利用不仅目前技术上可能而且经济上合理且对生态环
境可能造成的影响也是可接受的这种水资源主要指河流湖泊地下水和土壤水等淡水一些区域还包括微咸水
需要说明的是土壤水虽然不能直接用于工业城镇供水但它是植物生长必不可少的条
件可以直接被植物吸收所以土壤水也应属于水资源范畴至于大气降水它不仅是径流形
成的最重要因素也是淡水资源的最主要甚至唯一的补给来源
二水资源特性
狭义而言水资源主要指水循环周期内可以恢复再生的能为人类直接利用的淡水资源它具有如下特征
(１)水资源的可再生性水资源与其他固体资源的本质区别在于其流动性是在循环中
形成的一种动态资源水资源在开采利用后能够得到大气降水的补给处在不断地开采补给和消耗恢复的循环之中
(２)储量有限性水资源处在不断地消耗和补充过程中在某种意义上水资源具有ldquo取之
不尽rdquo的特点恢复性强但实际上淡水资源储量是十分有限的且淡水资源大部分储存在极
地冰帽和冰川中真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的０1049008００７６８从水
量动态平衡的观点来看某一期间的水量消耗量应接近于该期间的水量补给量否则将会破坏
水平衡造成一系列环境问题可见水资源过程是无限的水资源储量是有限的并非取之不
尽用之不竭(３)时空分布不均匀性水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布特征时空分布的
不均匀性是水资源的又一特性我国水资源在区域上分布极不均匀总体来说东南多西北
少沿海多内陆少山区多平原少在同一地区中不同时间分布差异性很大一般是夏多冬少(４)因果随机性自然界中可更新的水资源主要来源于大气降水和融雪水其循环转换
具有因果关系由于大气降水和融雪水在时空上存在随机性导致水资源转化过程中有随机
性如某一区域既有丰平枯三种年型又有连枯连丰情况一年当中还有枯水期和丰水期这种变化都是随机的具有一定统计规律
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８ 流域水文学
三影响水循环的因素
影响水循环的因素很多一般可归纳为四大类气象因素如温度湿度风速风向等自然地理条件如地形地貌地质构造土壤和植被情况等人类活动包括各种水利措施农业措
施和水土保持措施等地理位置在这四类因素中气象因素是主要的起主导作用的因为在水循环的四个环节中有三个
(蒸发水汽输送降水)环节取决于气象条件径流虽受地形地貌地质构造土壤和植被等下
垫面条件的影响但径流的形成及其时空变化在很大程度上仍取决于气象条件自然地理条
件主要是通过蒸发和径流来影响水分循环有利于蒸发的地区水循环活跃而有利于径流的
地区则不利于水分循环人类活动对水分循环的影响主要表现在调节径流影响蒸发和降
水等水分循环环节上总之人类活动是通过改变下垫面条件来影响水分循环各环节的
第二节 水 量 平 衡
一水量平衡原理
水量平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体体现也是水循环得以存在的基础根据
物质不灭定律在水循环过程中对于任意选择的区域(或水体)在任意时段内其收入水量与
支出水量之间的差额等于该时段区域(或水体)内蓄水量的变化量即水在循环过程中从总体
上保持收支平衡水量平衡是研究水文现象的基本方法通过水量平衡可对水循环建立定量概念从而了解
各循环要素之间的定量关系水量平衡的基本方程为
I－O＝W２－W１＝ΔW (１Ｇ１)
式中I为给定时段内输入区域(或水体)的水量(mm 或 m３)O 为给定时段内输出区域(或水
体)的水量(mm 或 m３)W１W２ 为给定时段始末区域(或水体)的蓄水量(mm 或 m３)ΔW 为
时段内蓄水量的变化量ΔW＞０表示区域蓄水量增加ΔW＜０表示蓄水量减少(mm 或 m３)从本质上说水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现也是地球上水循环能
够持续不断进行下去的基本前提水循环是地球上客观存在的自然现象水量平衡是水循环
内在的规律水量平衡方程式则是水循环的数学表达式
二通用水量平衡方程
基于水量平衡原理以地面的某个部分作为研究对象这部分地面具有湖泊沼泽等水体并交错许多进出水道沿这部分地面的边界想象做出一个垂直的柱体柱体底部为地面以下
某一深度的水平面并假设该水平面上下的水量不进行交换根据水量平衡原理可知在某一
定时段内进入该区域的水量减去该柱体流出的水量应当等于该柱体内的蓄水变化量该区域水量收入部分包括以下各项①时段内的降水量P②时段内的凝结量X指水分
蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由河流流入的径流量ΣR地面入 ④由地下流入的径
流量ΣR地下入 ⑤柱体内时段初始蓄水量W 初 该区域水量支出部分包括以下各项①水分蒸发量E②由河流流出的径流量 ΣR地面出
第一章 水循环与水资源 ９
时段内的凝结量 X指水分蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由地下流出的径流
ΣR地下出 ④柱体内时段末期蓄水量W 末 ⑤用水量Y由此可列出任意区域在任意时段的通用水量平衡方程式为
P＋X ＋sumR地面入 ＋sumR地下入 ＋W 初 ＝E＋sumR地面出 ＋sumR地下出 ＋W 末 ＋Y
(１Ｇ２)
三流域水量平衡方程
对于一个天然闭合流域其地面分水线与地下分水线一致(分水线概念见第２章)则不可
能有水从外流域经地表或地下流入故通用水量平衡方程中ΣR地面入 和ΣR地下入 均为０凝结
量X 并入降水中计算令流出的总水量为R即
R＝sumR地面出 ＋sumR地下出 (１Ｇ３)
则有
P＝E＋R＋Y＋ΔW (１Ｇ４)
式中Y 为流域内国民经济的用水量包括灌溉用水量工业用水量外区域引水量及其他用水
量其中灌溉耗水量消耗于蒸发可计入流域总蒸发E 之中另一部分工业净耗水量消耗于蒸
发一部分是产品带水消耗于蒸发也计入E 之中而带水产品数量则很小可略去不计所以
闭合流域给定时段的水量平衡方程可写为
P＝E＋R＋ΔW (１Ｇ５)
如果所取的计算时段为一年则上式为闭合流域年水量平衡方程ΔW 为年初与年终流域
蓄水量的变化量如ΔW＞０则表示年内的降水一部分消耗于径流和蒸发其余则储蓄在流域
之内ΔW＜０表示年内径流蒸发不仅来自降水还有一部分来自流域原有的蓄水量对于多年平均来说流域内蓄水量变化量的均值近似为零即ΔW＝０故闭合流域多年平
均水量平衡方程为
P－
＝E－＋R
－ (１Ｇ６)
式中P－为多年平均降水量(mm 或 m３)R
－为多年平均径流量(mm 或 m３)E
－为多年平均蒸发
量(mm 或 m３)可见对于闭合流域多年平均流域的降水量等于多年平均径流量与多年平均蒸发量之和
PER 是水量平衡中的三个基本要素已知其中任意两项据此即可推求第三项值对于非闭合流域或较小流域地面与地下分水线不一致有一部分水量以渗流方式流至外
流域这种情况式(１Ｇ６)不成立应改写为
P＝E＋R＋ΔRprime＋ΔW (１Ｇ７)
式中ΔRprime为流域间水量交换量(mm 或 m３)其余符号同前有时也可以以径流量蒸发量对降水量的相对值来反映流域的水文特性式(１Ｇ６)两边除
以P－可得
E－
P－ ＋
R－
P－ ＝１ (１Ｇ８)
令R－
P－ ＝α０
E－
P－ ＝β０
１０ 流域水文学
则 α０＋β０＝１ (１Ｇ９)式中α０ 为多年平均径流系数β０ 为多年平均蒸发系数
α０β０ 反映了一个地区的气候和下垫面特性对于湿润地区α０ 较大可大于０1049008５干旱地
区α０ 较小有的只有百分之几而β０ 正好相反
第三节 水 资 源
一水资源的内涵
水是宝贵的自然资源也是自然生态环境中最积极最活跃的因素同时水又是人类生存
和社会经济活动的基本条件其应用价值表现为水量水质及水能三个方面地球上的水资源广义来说是指水圈内所有水包括海洋河流湖泊沼泽冰川土壤
水地下水及大气水都是人类宝贵的财富但是对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰
川限于当前的经济技术条件目前大规模开发利用还有许多困难狭义的水资源不同于自然界的水体它仅仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利
用的那一部分动态水体这种开发利用不仅目前技术上可能而且经济上合理且对生态环
境可能造成的影响也是可接受的这种水资源主要指河流湖泊地下水和土壤水等淡水一些区域还包括微咸水
需要说明的是土壤水虽然不能直接用于工业城镇供水但它是植物生长必不可少的条
件可以直接被植物吸收所以土壤水也应属于水资源范畴至于大气降水它不仅是径流形
成的最重要因素也是淡水资源的最主要甚至唯一的补给来源
二水资源特性
狭义而言水资源主要指水循环周期内可以恢复再生的能为人类直接利用的淡水资源它具有如下特征
(１)水资源的可再生性水资源与其他固体资源的本质区别在于其流动性是在循环中
形成的一种动态资源水资源在开采利用后能够得到大气降水的补给处在不断地开采补给和消耗恢复的循环之中
(２)储量有限性水资源处在不断地消耗和补充过程中在某种意义上水资源具有ldquo取之
不尽rdquo的特点恢复性强但实际上淡水资源储量是十分有限的且淡水资源大部分储存在极
地冰帽和冰川中真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的０1049008００７６８从水
量动态平衡的观点来看某一期间的水量消耗量应接近于该期间的水量补给量否则将会破坏
水平衡造成一系列环境问题可见水资源过程是无限的水资源储量是有限的并非取之不
尽用之不竭(３)时空分布不均匀性水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布特征时空分布的
不均匀性是水资源的又一特性我国水资源在区域上分布极不均匀总体来说东南多西北
少沿海多内陆少山区多平原少在同一地区中不同时间分布差异性很大一般是夏多冬少(４)因果随机性自然界中可更新的水资源主要来源于大气降水和融雪水其循环转换
具有因果关系由于大气降水和融雪水在时空上存在随机性导致水资源转化过程中有随机
性如某一区域既有丰平枯三种年型又有连枯连丰情况一年当中还有枯水期和丰水期这种变化都是随机的具有一定统计规律
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第一章 水循环与水资源 ９
时段内的凝结量 X指水分蒸发至空中凝结尚未变成降水的水分③由地下流出的径流
ΣR地下出 ④柱体内时段末期蓄水量W 末 ⑤用水量Y由此可列出任意区域在任意时段的通用水量平衡方程式为
P＋X ＋sumR地面入 ＋sumR地下入 ＋W 初 ＝E＋sumR地面出 ＋sumR地下出 ＋W 末 ＋Y
(１Ｇ２)
三流域水量平衡方程
对于一个天然闭合流域其地面分水线与地下分水线一致(分水线概念见第２章)则不可
能有水从外流域经地表或地下流入故通用水量平衡方程中ΣR地面入 和ΣR地下入 均为０凝结
量X 并入降水中计算令流出的总水量为R即
R＝sumR地面出 ＋sumR地下出 (１Ｇ３)
则有
P＝E＋R＋Y＋ΔW (１Ｇ４)
式中Y 为流域内国民经济的用水量包括灌溉用水量工业用水量外区域引水量及其他用水
量其中灌溉耗水量消耗于蒸发可计入流域总蒸发E 之中另一部分工业净耗水量消耗于蒸
发一部分是产品带水消耗于蒸发也计入E 之中而带水产品数量则很小可略去不计所以
闭合流域给定时段的水量平衡方程可写为
P＝E＋R＋ΔW (１Ｇ５)
如果所取的计算时段为一年则上式为闭合流域年水量平衡方程ΔW 为年初与年终流域
蓄水量的变化量如ΔW＞０则表示年内的降水一部分消耗于径流和蒸发其余则储蓄在流域
之内ΔW＜０表示年内径流蒸发不仅来自降水还有一部分来自流域原有的蓄水量对于多年平均来说流域内蓄水量变化量的均值近似为零即ΔW＝０故闭合流域多年平
均水量平衡方程为
P－
＝E－＋R
－ (１Ｇ６)
式中P－为多年平均降水量(mm 或 m３)R
－为多年平均径流量(mm 或 m３)E
－为多年平均蒸发
量(mm 或 m３)可见对于闭合流域多年平均流域的降水量等于多年平均径流量与多年平均蒸发量之和
PER 是水量平衡中的三个基本要素已知其中任意两项据此即可推求第三项值对于非闭合流域或较小流域地面与地下分水线不一致有一部分水量以渗流方式流至外
流域这种情况式(１Ｇ６)不成立应改写为
P＝E＋R＋ΔRprime＋ΔW (１Ｇ７)
式中ΔRprime为流域间水量交换量(mm 或 m３)其余符号同前有时也可以以径流量蒸发量对降水量的相对值来反映流域的水文特性式(１Ｇ６)两边除
以P－可得
E－
P－ ＋
R－
P－ ＝１ (１Ｇ８)
令R－
P－ ＝α０
E－
P－ ＝β０
１０ 流域水文学
则 α０＋β０＝１ (１Ｇ９)式中α０ 为多年平均径流系数β０ 为多年平均蒸发系数
α０β０ 反映了一个地区的气候和下垫面特性对于湿润地区α０ 较大可大于０1049008５干旱地
区α０ 较小有的只有百分之几而β０ 正好相反
第三节 水 资 源
一水资源的内涵
水是宝贵的自然资源也是自然生态环境中最积极最活跃的因素同时水又是人类生存
和社会经济活动的基本条件其应用价值表现为水量水质及水能三个方面地球上的水资源广义来说是指水圈内所有水包括海洋河流湖泊沼泽冰川土壤
水地下水及大气水都是人类宝贵的财富但是对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰
川限于当前的经济技术条件目前大规模开发利用还有许多困难狭义的水资源不同于自然界的水体它仅仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利
用的那一部分动态水体这种开发利用不仅目前技术上可能而且经济上合理且对生态环
境可能造成的影响也是可接受的这种水资源主要指河流湖泊地下水和土壤水等淡水一些区域还包括微咸水
需要说明的是土壤水虽然不能直接用于工业城镇供水但它是植物生长必不可少的条
件可以直接被植物吸收所以土壤水也应属于水资源范畴至于大气降水它不仅是径流形
成的最重要因素也是淡水资源的最主要甚至唯一的补给来源
二水资源特性
狭义而言水资源主要指水循环周期内可以恢复再生的能为人类直接利用的淡水资源它具有如下特征
(１)水资源的可再生性水资源与其他固体资源的本质区别在于其流动性是在循环中
形成的一种动态资源水资源在开采利用后能够得到大气降水的补给处在不断地开采补给和消耗恢复的循环之中
(２)储量有限性水资源处在不断地消耗和补充过程中在某种意义上水资源具有ldquo取之
不尽rdquo的特点恢复性强但实际上淡水资源储量是十分有限的且淡水资源大部分储存在极
地冰帽和冰川中真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的０1049008００７６８从水
量动态平衡的观点来看某一期间的水量消耗量应接近于该期间的水量补给量否则将会破坏
水平衡造成一系列环境问题可见水资源过程是无限的水资源储量是有限的并非取之不
尽用之不竭(３)时空分布不均匀性水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布特征时空分布的
不均匀性是水资源的又一特性我国水资源在区域上分布极不均匀总体来说东南多西北
少沿海多内陆少山区多平原少在同一地区中不同时间分布差异性很大一般是夏多冬少(４)因果随机性自然界中可更新的水资源主要来源于大气降水和融雪水其循环转换
具有因果关系由于大气降水和融雪水在时空上存在随机性导致水资源转化过程中有随机
性如某一区域既有丰平枯三种年型又有连枯连丰情况一年当中还有枯水期和丰水期这种变化都是随机的具有一定统计规律
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１０ 流域水文学
则 α０＋β０＝１ (１Ｇ９)式中α０ 为多年平均径流系数β０ 为多年平均蒸发系数
α０β０ 反映了一个地区的气候和下垫面特性对于湿润地区α０ 较大可大于０1049008５干旱地
区α０ 较小有的只有百分之几而β０ 正好相反
第三节 水 资 源
一水资源的内涵
水是宝贵的自然资源也是自然生态环境中最积极最活跃的因素同时水又是人类生存
和社会经济活动的基本条件其应用价值表现为水量水质及水能三个方面地球上的水资源广义来说是指水圈内所有水包括海洋河流湖泊沼泽冰川土壤
水地下水及大气水都是人类宝贵的财富但是对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰
川限于当前的经济技术条件目前大规模开发利用还有许多困难狭义的水资源不同于自然界的水体它仅仅指在一定时期内能被人类直接或间接开发利
用的那一部分动态水体这种开发利用不仅目前技术上可能而且经济上合理且对生态环
境可能造成的影响也是可接受的这种水资源主要指河流湖泊地下水和土壤水等淡水一些区域还包括微咸水
需要说明的是土壤水虽然不能直接用于工业城镇供水但它是植物生长必不可少的条
件可以直接被植物吸收所以土壤水也应属于水资源范畴至于大气降水它不仅是径流形
成的最重要因素也是淡水资源的最主要甚至唯一的补给来源
二水资源特性
狭义而言水资源主要指水循环周期内可以恢复再生的能为人类直接利用的淡水资源它具有如下特征
(１)水资源的可再生性水资源与其他固体资源的本质区别在于其流动性是在循环中
形成的一种动态资源水资源在开采利用后能够得到大气降水的补给处在不断地开采补给和消耗恢复的循环之中
(２)储量有限性水资源处在不断地消耗和补充过程中在某种意义上水资源具有ldquo取之
不尽rdquo的特点恢复性强但实际上淡水资源储量是十分有限的且淡水资源大部分储存在极
地冰帽和冰川中真正能够被人类直接利用的淡水资源仅占全球总水量的０1049008００７６８从水
量动态平衡的观点来看某一期间的水量消耗量应接近于该期间的水量补给量否则将会破坏
水平衡造成一系列环境问题可见水资源过程是无限的水资源储量是有限的并非取之不
尽用之不竭(３)时空分布不均匀性水资源在自然界中具有一定的时间和空间分布特征时空分布的
不均匀性是水资源的又一特性我国水资源在区域上分布极不均匀总体来说东南多西北
少沿海多内陆少山区多平原少在同一地区中不同时间分布差异性很大一般是夏多冬少(４)因果随机性自然界中可更新的水资源主要来源于大气降水和融雪水其循环转换
具有因果关系由于大气降水和融雪水在时空上存在随机性导致水资源转化过程中有随机
性如某一区域既有丰平枯三种年型又有连枯连丰情况一年当中还有枯水期和丰水期这种变化都是随机的具有一定统计规律
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